[发明专利]连续纳米碳纤维束的制备方法和连续纳米碳纤维布的制备方法

说明书

本发明公开了一种连续纳米碳纤维束的制备方法和连续纳米碳纤维布的制备方法，所述连续纳米碳纤维束的制备方法包括：(1)纺丝液配置：将高分子树脂或粉末溶解于溶剂中并充分搅拌，静置脱泡，得到均一纺丝体系，作为静电纺丝液；(2)前驱体纤维束的制备：以对所述静电纺丝液进行静电纺丝，得到连续的具有定向排列的原纤维束或原纤维包纱；(3)高温烧结制备纳米碳纤维束。所述连续纳米碳纤维束的制备方法可以得到连续的碳纳米纤维束，其具有直径、长度和微观结构可控的特点，可作为高性能复合材料增强纤维、超级电容器电极材料以及气体吸附材料，可以应用于航空航天、兵器、船舶和核工业等高技术领域。

技术领域

本发明涉及一种连续纳米碳纤维束的制备方法和连续纳米碳纤维布的制备方法。

背景技术

碳纤维是一种含碳量在95％以上新型纤维材料，这种纤维材料具有高强高模、密度低、耐高温、耐腐蚀、低电阻、高热导等优点，此外还具有很好的柔性，在航空航天、储能器件、气体吸附、交通运输以及体育运动器材等领域有着广泛的应用。

纳米或纳米中空碳纤维束是由纳米碳纤维组成的，其具有优异的物理、化学、力学性能，同时，具有较好的导电性、导热性和热稳定性。连续碳纳米纤维束与金属、树脂、陶瓷基体具有很好的兼容性，具有较高的长径比、完善的石墨化结构、表面有一定的化学活性等特点，可作为改进力学性能的增强剂，应用在复合材料领域以提高基体的拉伸、冲击强度和模量，以及导电导热性。

碳纳米纤维的制备方法主要有化学气相沉积法、静电纺丝法。化学沉积法制备碳纳米纤维产量低、纤维直径大、纤维短且取向无规则等缺点。而静电纺丝是目前唯一一种可以制备连续碳纳米纤维的方法，主要是通过聚丙烯腈的高压静电纺丝制备出连续的纳米纤维原丝，再经过预氧化和碳化工艺将原纤维转化为碳纳米纤维。然而，当前静电纺碳纳米纤维多为无纺布形式，纤维均匀性差，呈无序不规则排列，严重影响了纤维的力学性能。通过静电纺丝法制备连续碳纳米纤维束，可以实现纤维直径的纳米化，使纳米纤维具有很好的连续性和取向性，实现纳米纤维的机织或编织二次加工，同时提高其力学性能达到碳纤维无法比拟的水平。

发明内容

本发明的目的在于提供连续纳米碳纤维束的制备方法和连续纳米碳纤维布的制备方法，该方法将静电纺丝技术与先驱体转化法结合在一起，不仅可以得到连续的纳米或纳米中空碳纤维束，而且，通过机织或编织等二次加工可进一步制备碳纤维布。该方法制备得到的碳纳米纤维束的直径、长度和微观结构可控。

为达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

(1)纺丝液配置：将高分子树脂或粉末溶解于溶剂中并充分搅拌，静置脱泡，得到均一纺丝体系，作为静电纺丝液；(2)前驱体纤维束的制备：以对所述静电纺丝液进行静电纺丝，得到连续的具有定向排列的原纤维束或原纤维包纱；(3)高温烧结制备纳米碳纤维束：先在空气气氛下对所述原纤维束或原纤维包纱进行预氧化处理，而后采用分段热处理方式对进行高温烧结，制备纳米碳纤维束。

可选的，所述高分子树脂为聚丙烯腈、木质素、聚甲基丙烯酸甲酯、醋酸纤维束、聚乙烯基吡咯烷酮、聚氧化乙烯的一种或多种。

可选的，所述原纤维包纱为纳米纤维包缠纱线结构，所述原纤维包纱表层为静电纺纳米纤维，芯层为长丝纱或短纤维纱线。

可选的，所述芯层纱线材料为尼龙长丝、腈纶长丝、锦纶长丝或棉线中的一种。

可选的，所述静电纺丝溶液所使用的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、丙酮、无水乙醇、蒸馏水、四氢呋喃、二甲苯的一种或多种，且按质量比所述高分子树脂：有机溶剂＝1:5-20。