[发明专利]一种圆形截面高导电性碳纳米管纤维的制备方法

说明书

本发明涉及高性能碳纳米管纤维制备领域，具体为一种圆形截面高导电性碳纳米管纤维的制备方法。使用能够减缓纤维凝固速率的N‑甲基吡咯烷酮作为一级凝固浴，将氯磺酸分散的碳纳米管液晶纺丝液注射进装有N‑甲基吡咯烷酮的一级凝固浴中得到半固态的碳纳米管纤维；再将半固态的纳米管纤维通过光滑的导轨引入装有乙醇的二级凝固浴中进行完全固化，并对纤维进行牵拉、卷绕收集，最后在自然状态下干燥成型。本发明利用氯磺酸在N‑甲基吡咯烷酮中扩散速率低的特性，使得纤维在N‑甲基吡咯烷酮中均匀、缓慢地凝固为纤维，同时保证了纤维的充分拉伸和细化，提高了碳纳米管的顺排度和致密度，最终获得了圆形截面高导电性碳纳米管纤维。

技术领域

本发明涉及高性能碳纳米管纤维制备领域，具体为一种圆形截面高导电性碳纳米管纤维的制备方法。

背景技术

碳纳米管纤维是由单根碳纳米管组装而成的宏观尺度纤维材料，其具有优异的力学、电学和热学特性，并且兼具密度低、比表面积大和长径比高等优点，有望成为下一代轻质高强高导材料。性能优异的碳纳米管纤维可在航空航天、可穿戴电子器件、太阳能电池、超级电容器、人工肌肉等领域获得广泛应用。

制备碳纳米管纤维的方法主要有三种：即阵列纺丝法、化学气相沉积直接纺丝法和湿法纺丝。阵列纺丝法是对化学气相沉积法制备得到的碳纳米管垂直阵列进行牵拉，使得顺排碳纳米管首尾相连，形成纤维的一种方法，这种方法得到的纤维致密度较低，因此电学性能较差(文献1：Jiang K,Li Q,Fan S.Nature.2002,419(6909),801.)。化学气相沉积纺丝法是一种一步制备碳纳米管纤维的方法：通过采用乙醇/二茂铁/噻吩溶液作为液态碳源，在载气作用下以一定的注射速率通入高温反应炉中，液态碳源在高温反应炉内气化，得到长筒袜状碳纳米管纤维前驱体结构，随后在反应炉外收集得到碳纳米管纤维(文献2：Koziol K,Vilatela J,Windle A,et al.Science 2007,318(5858),1892-1895.)。湿法纺丝是首先将碳纳米管制备成均匀稳定的碳纳米管分散液，随后注入到凝固浴中凝固成型的一种纺丝方法(文献3：Vigolo B,Penicaud A,Coulon C,et al.Science.2000,290(5495),1331-1334.)。由于湿法纺丝制备的纤维取向度和致密度更高，因此相比于干法纺丝得到的纤维，其电学性能更加优异。除此之外，湿法纺丝更容易工业化，从而实现碳纳米管纤维的规模化生产。

目前湿法纺丝制备的碳纳米管纤维的强度和电导率均远低于单根碳纳米管的性能。一方面是由于碳纳米管本身结构(如壁数、直径、手性、长度、缺陷等)不均一；另一方面是由于从纳米尺寸单根碳纳米管组装成宏观尺寸碳纳米管纤维的过程中，因取向度、致密度较差等导致纤维内管间的接触电阻较大；此外，由于湿法纺丝过程纤维的固化速率较高，在凝固浴内快速收缩，此时纤维的皮层和芯层收缩不同步，导致收缩不均匀，因此纤维的截面一般呈无规则形状，且表面有很多凹槽和褶皱，这限制了纤维电导率的准确计算及实际应用(文献4：Bucossi A R,Cress C D,Schauerman C M,et al.ACS Appl MaterInterfaces,2015,7(49):27299-27305.)。

因此，目前制备高性能碳纳米管纤维的一个主要问题是：如何发展或者改进碳纳米管纤维纺丝技术，制备高顺排度、高致密度、表面光滑的碳纳米管纤维，突破纤维组装过程中的技术瓶颈，获得高导电性碳纳米管纤维，推动其规模化应用。

发明内容

针对常规液相纺丝过程中，碳纳米管纺丝液在凝固浴中快速收缩导致纤维表面多褶皱且呈无规则形状等问题，本发明的目的在于提供一种表面光滑、高顺排度、高致密度、圆形截面高导电性碳纳米管纤维的制备方法，解决了常规液相纺丝方法由于碳纳米管快速凝固导致纤维收缩不均匀以及没有充分拉伸和细化的技术问题。制得碳纳米管纤维长度无限制、直径在5～30μm范围可调，电导率达0.5～1.5×10⁷S/m，拉伸强度为0.5～2GPa。

本发明的技术方案是：