[发明专利]高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法

说明书

本发明涉及高性能碳纳米管纤维制备领域，具体为一种具有高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法。以高质量、高长径比的单壁碳纳米管为原料，获得单壁碳纳米管液晶溶液。在纺丝过程中，对预成型单壁碳纳米管纤维施加速度可控的剪切力，使纤维中的碳纳米管高度定向及致密化，从而提高纤维性能。本发明通过使用窄直径、大长径比针尖毛细管，结合挤出速率调控，对挤出的单壁碳纳米管液晶溶液施加剪切力，使单壁碳纳米管高度取向并致密化，实现大幅提升单壁碳纳米管纤维的导电性与强度。

技术领域

本发明涉及高性能碳纳米管纤维制备领域，具体为一种具有高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法。

背景技术

碳纳米管纤维具有质轻、导电性好、弹道输运、集肤效应小等特点，是理想的轻质导线候选材料，有望应用于快速发展的军工国防、航空航天、电力电子等领域。但迄今为止，单壁碳纳米管纤维的规模化应用尚未起步，究其原因主要是高强、高导电单壁碳纳米管纤维的可控、规模化制备技术尚未突破。碳纳米管的径向尺寸为纳米级别，而碳管纤维的径向尺寸为微米级别，如何发展或改进目前碳纳米管制备技术，获得具有优异性能的碳纳米管纤维是实现其商业化应用的关键。

目前制备碳纳米管纤维的方法主要有三种：溶液纺丝法、阵列抽丝法和浮动催化剂化学气相沉积直接纺丝法(文献1：Jiang K,Li Q,Fan S.Nature.2002,419(6909),801；文献2：Wang J N,Luo X G,WuT,Chen Y.Nat Commun,2014,5:3848；文献3：Vigolo B,Penicaud A,Coulon C,Sauder,C.,Pailler,R.,Journet,C,Bernier B,PoulinB.Science.2000,290(5495),1331-1334)。在这三种方法中，溶液纺丝法制备的碳纳米管纤维具有导电性高、致密度高、可连续化等优势(文献4：Bucossi A R,Cress C D,SchauermanC M,et al.ACS Appl Mater Interfaces,2015,7(49):27299-27305.)，且其工艺过程可借鉴目前已经成熟的聚合物熔融纺丝和湿法纺丝，因而该方法是最具潜力的将纳米级碳管集结成宏观体纤维的纺丝技术。

目前湿法纺丝制备的单壁碳纳米管纤维的强度和电导率均远远低于单根单壁碳纳米管的性能(文献4：Bucossi AR,Cress C D,Schauerman C M,et al.ACS Appl MaterInterfaces,2015,7(49):27299-27305.)，其原因有以下几个方面：1)所使用单壁碳纳米管原材料一般为HiPCo方法制备的小直径(1.3～1.9nm)、长度较短(小于10μm)的碳管，导致纤维中碳纳米管连接节点的密度大，引入更多的接触电阻，降低了碳纳米管的电导率和拉伸强度。2)碳纳米管纤维内部致密度不高、结构疏松，未填充碳纳米管的孔隙占据体积的同时却不贡献电子传输通道，降低了碳纳米管纤维的电导率和强度。3)碳纳米管之间的结合强度远低于单根碳纳米管的理论强度。发生断裂时往往是由于碳纳米管间的界面脱粘而不是单根碳纳米管的断裂。因而，改善碳纳米管纤维电导率与强度的关键是提升纤维中碳纳米管的取向性、致密度，同时减少接触点的密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，该方法以大直径、高纯度、超长单壁碳纳米管为原材料配制单壁碳纳米管液晶溶液，通过对针尖毛细管内单壁碳纳米管施加较高的剪切力来提高纤维中碳管的取向性和致密度，进而制备出高强、高导电单壁碳纳米管纤维。

本发明的技术方案是：

一种高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，选用窄直径、大长径比针尖毛细管，结合纤维挤出速率调控，对针尖毛细管内的单壁碳纳米管溶液施加可调的剪切力，使单壁碳纳米管在针尖毛细管中高度取向并致密化，经凝固浴溶胶化和空气中干燥收缩，获得高性能单壁碳纳米管纤维；