[发明专利]高取向碳纳米管复合纤维、其制备方法与系统

说明书

本发明公开了一种高取向碳纳米管复合纤维、其制备方法与系统。所述制备方法包括：制备碳纳米管/选定物质复合纤维，先对其进行致密化，再对其两端施加直流电流，进行电牵伸处理，并通过控制放卷和收卷的速度差实现对碳纳米管/选定物质复合纤维的连续化牵伸，获得高取向碳纳米管复合纤维。本发明利用碳纳米管的电热特性和聚合物的热塑性，基于碳纳米管纤维在电流作用下产生热量，使得聚合物升温软化变成高弹态，再通过外力作用，使得高弹态聚合物带动碳纳米管相对运动，最终使碳纳米管/聚合物复合纤维在电热作用和外力诱导下，同时达到管间黏结、碳纳米管取向和纤维致密的目的，得到高取向度、高致密化度的高性能碳纳米管复合纤维。

技术领域

本发明涉及一种高取向碳纳米管纤维的制备方法，特别涉及一种利用电热效应连续制备高取向碳纳米管复合纤维的方法及相应的系统，属于碳纤维及纳米复合材料制备技术领域。

背景技术

碳纳米管(CNT)是由碳原子sp²杂化以碳-碳σ键连接而成的六边形组成的一维中空线性结构，根据层数的不同分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管自身具有优异的力学性能，拉伸断裂强度和拉伸模量分别可以达到100GPa和1TPa以上，然而碳纳米管的宏观组装体的过程中由于管间连接、杂质、取向等问题，宏观体的力学性能偏低。以一维的碳纳米管纤维为例，目前报道的纤维的力学性能尚不及碳纳米管自身力学性能的十分之一，仍然存在较大提升空间。

近年来，碳纳米管力学性能的优化增强主要有两个方法：一是提高纤维内部取向结构、致密化程度；二是添加聚合物提高管间连接。如利用浸润液体的表面张力提高碳纳米管纤维的致密化程度(Nanotechnology，2010，21：045708；RSC Adv.2020,10,18715)，增加碳管间相互作用；通过高分子聚合物改善碳管间的相互作用力(Composites Science andTechnology，2018，164：290–295；ACS Nano，2010，4：5827-5834；Nano，Letters，2010，9：2855-2861；CN111607848A)，提高载荷在管间的有效传递；利用微梳(Materials andDesign，2017，134：181–187)、高温电热处理(Adv.Mater.2014,26,2480–2485；CN111304799A)提高纤维内部碳管取向和致密度；通过氯磺酸膨胀牵伸(NatureCommunications,2019,10(1)；ACS Applied MaterialsInterfaces,2020,12(11))提高管间键合及致密化程度。

通过致密取向、管间连接等都可以一定程度上提高碳纳米管纤维的力学性能，然而单纯的牵伸对碳纳米管纤维取向非常有限并且会对碳纳米管造成一定程度的破坏，目前的聚合物增强也只能增加碳纳米管间连接但并不能提高碳纳米管取向，氯磺酸的剧毒性使其使用条件非常苛刻，高温电热处理样品尺寸有限难以实现连续制备。

综上所述，现有技术主要存在以下缺点：1)溶剂致密仅可以提高纤维的密度，不能改善碳纳米管的取向；2)树脂的热固化特性可以增加碳纳米管间连接，但固化特性也限制了碳纳米管的取向；3)氯磺酸牵伸由于氯磺酸具有剧毒性，工艺条件相当苛刻，难以连续制备；4)微梳法对碳纳米管的取向主要是纤维的表面，难以使纤维内部的碳纳米管取向。因此，目前增强碳纳米管纤维的方法大部分还停留在实验阶段，不能形成连续化产线。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高取向碳纳米管复合纤维及连续化电牵伸制备高取向碳纳米管复合纤维的方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的另一目的还在于提供一种连续化电牵伸制备高取向碳纳米管复合纤维的系统。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种高取向碳纳米管复合纤维的制备方法，其包括：

使选定物质充分渗透入碳纳米管纤维中所含碳纳米管的内部，从而制备碳纳米管/选定物质复合纤维；