[发明专利]一种高强度导电芳纶纤维芯材及其成型工艺

说明书

本发明提供一种高强度导电芳纶纤维芯材及其成型工艺，涉及线材制造领域，用于解决目前线缆芯的热形变严重问题。本发明所提供的芳纶纤维在室温下拉伸强度相比传统对位芳纶提高了15％，且拥有更好的耐高温性、和热形变性。本发明明显区别于传统芳纶的表面改性，创新之处在于用杂环二胺改性碳纳米管，之后利用接枝在碳纳米管表面的氨基(—NH₂)与芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺)原材料中对酰胺(—CONH—)进行聚合反应，生成具有杂环结构的杂环芳纶，石墨烯一方面为机械性能提供了有力的支撑，此外还为芳纶提供了一定的导电性。最后利用纺丝技术将其制成聚酯包覆的线芯材料。本发明具有较高的现实意义和应用价值。

技术领域

本发明属于线材技术领域，涉及一种高强度导电纤维的制备，具体涉及一种高强度导电芳纶纤维芯材及其成型工艺。

背景技术

电线电缆是数据传输、电能输送和制造各种电器、仪表、交通工具、生产设备，实现电磁能量转换所不可缺少的基础器材，被喻为国民经济的“血管”与“神经”。尤其是远程输送的高压线缆，是实现国家重大战略目的必要途径。然而在实际应用中，我们会经常发现两线塔间的线缆一段时间后会发生下垂现象，一方面是由于两塔架跨度大、线缆由于自重作用下发生蠕变现象，另一方面是输电线路中电流受线缆电阻作用将电能转化为热能释放出来，这就进一步促进线缆发生不可逆热形变。而这种现象的发生会带来不安全的隐患，如，发生触电、火灾等。

目前大规模远程输电线缆芯材是以金属为材料，最常见为铜、铝或铜铝合金、合金钢等，然而金属材料尽管有较强的机械性能，但其密度大、成本高，在一定程度上仍然不是最适宜的线芯材料，因此本发明就着眼于解决当前线缆芯材存在的问题，引入了芳纶纤维。芳纶纤维及其复合材料是先进新型材料发展的重要方向，具有高强度、高比模量、低密度、可设计性好、耐腐蚀、抗疲劳等一系列优异性能，又可作为防热、防腐蚀的功能性材料，在航空航天、武器装备、轨道交通、电动汽车、高端制造业等领域特别是在结构轻量化中具有无可替代的地位。高结晶度和高取向是刚性链芳纶纤维优异性能的基础。然而，虽然高结晶度和高取向有利于抗拉强度的提高，但往往不利于韧性的提高。因此，开发具有高强度、高韧性的功能高分子纤维，以满足线缆芯材安全和高强度的应用是十分必要的。专利CN102839444B制备了一种黑色对芳纶纤维材料，该专利同样使用的是多壁碳纳米管为原料，在经浓硫酸处理过后直接用于改性聚对苯二甲酰对苯二胺，并通过湿法纺丝形成改性芳纶纤维，这种做法对芳纶纤维本身的力学性能是损坏的。原因是芳纶纤维具有高度的结晶性和取向性，其链上基团十分稳定很难与无机或者有机材料结合，因此无机碳纳米管的出现很容易造成分子链间缺陷的存在，致其力学性能降低。

此外，本专利还明显区别于其他表面改性芳纶纤维，常见的表面改性芳纶纤维是通过将纳米尺度的纹理结合到纤维表面，可以实现纤维和基体之间的机械联锁，来提高纤维增强复合材料结构的附着力。本发明则是通过加强纤维基体与纳米填料分子间的相互作用提高拉伸强度，同时引入含氨基的杂环结构，在芳纶聚合的过程中形成杂环芳纶，其分子结构更为复杂，因此其力学性能更加优异，在耐高温、耐冲击、耐磨损、透波等方面均具有优异性能，且也更有利于纤维与树脂的复合，从而有望代替目前传统芯材。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种改性碳纳米管。

本发明的第二目的是提供一种高强度导电芳纶纺丝原液。

本发明的第三目的是提供一种高强度导电芳纶纤维芯材成型工艺。

为了实现上述的第一目的，本发明提供的一种改性碳纳米管，其制备技术路线为：

S1:先将10g MWNTs加入100ml硝酸中超声处理30min，再以90℃回流30min，多次离心至PH值为7，聚酯膜过滤，在90℃干燥，得到酸化MWNTs。

S2：为了增强基团的反应活性，得到酰氯功能化的MWNTs。在SOCl₂中加入酸化MWNTs，并在90℃回流20min，实现MWNTs表面的羧基转化为酰氯基。