CN101864610A - 碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维及其制备方法 - Google Patents

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王海莲
顾莉琴
王华平
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Abstract

本发明涉及一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维及其制备方法，其组分包括：碳纳米管和聚烯烃，其质量比为(1-10)∶(90-99)；制备包括：(1)修饰后的碳纳米管与聚烯烃经双螺杆挤出机熔融造粒，得到碳纳米管/聚烯烃母粒；(2)将上述母粒与基体聚合物经所述双螺杆挤出机熔融挤出，卷绕获得碳纳米管/聚烯烃/聚合物共混纤维；(3)将上述共混纤维溶解在溶剂中，去除基体聚合物，获得碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维材料。本发明的纤维具有良好的热稳定性和导电性，纤维直径在50-1000nm；制备方法简单，成本低，适合于工业化生产。

Description

碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维及其制备方法
技术领域
本发明属聚烯烃微纳米纤维及其制备领域，特别是涉及一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维及其制备方法。
背景技术
纳米纤维由于比表面积大，导致其表面能和活性增大，从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在化学、物理方面表现出良好特性，具有广泛的潜在应用前景。此外，为了获得具有特定功能的纳米材料，可在制备过程中加入纳米功能材料，如碳纳米管、无机盐类、磁性粒子等，对纳米纤维进行改性，以获得更好的性能和应用。
聚烯烃是目前应用最为广泛的高聚物材料，而碳纳米管以其独特的结构特性、超强的力学、光电磁性能、比表面积大和优异的吸附性能等特性使其迅速地成为功能材料领域的一个研究热点。近年来碳纳米管/聚烯烃复合材料的研究已经取得了一些令人瞩目的成果，而复合纤维尤其是微纳米复合纤维的研究开发工作较少。
制备纳米纤维的方法有：化合物蒸气沉积法、模版聚合、分子设计法和纺丝加工法等。其中，纺丝加工法应该是规模化制备聚合物纳米纤维最有前景的方法，纺丝加工法主要包括静电纺丝法、熔喷法、复合纺丝法等。静电纺丝法是目前制备微纳米纤维最常用的方法，然静电纺丝法对溶液特性和加工参数要求严格；此外静电纺丝法主要针对溶液纺丝体系。而熔融电纺由于熔融高聚物的高粘度所获纤维的直径很难小于500nm。熔喷法可制备混合微米和超微米尺寸的纤维，以无纺布的形式收集。东丽公司采用“不定岛”复合纺丝技术制备微米纤维，主要以聚酰胺、聚酯等为“岛”组分，碱溶性聚酯为“海”组分，通过工艺的控制当碱液溶解“海”组分后获得所设计的微纳米纤维，已申请中国发明专利(200380105030.9)。美国Hills公司利用“定岛”复合纺丝法制备微纳米纤维，“定岛”复合纺丝法的喷丝板设计工艺复杂、价格昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维及其制备方法，该纤维具有良好的热稳定性和导电性，直径范围为50-1000nm；制备方法简单高效，适合于工业化生产。
本发明的一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维，其组分包括：碳纳米管和聚烯烃，其质量比为(1-10)∶(90-99)。
所述的碳纳米管占纤维质量的0.5～8％。
所述的纤维直径范围为50-1000nm。
本发明的一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维的制备方法，包括：
(1)将修饰后的碳纳米管与聚烯烃经双螺杆挤出机熔融造粒，得到碳纳米管/聚烯烃母粒，其中修饰后的碳纳米管与聚烯烃的质量比为(1-10)∶(90-99)；
(2)将上述母粒与基体聚合物经所述双螺杆挤出机熔融挤出，卷绕获得碳纳米管/聚烯烃/聚合物共混纤维，其中母粒与基体聚合物的质量比为(5-30)∶(70-95)；
(3)将上述共混纤维溶解在溶剂中，去除基体聚合物，获得碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维材料。
所述步骤(1)修饰的方法为：将碳纳米管经体积比为3∶1的浓硫酸与浓硝酸混合液在130℃冷凝回流4h，洗涤，过滤，干燥。
所述步骤(1)中的聚烯烃为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及其共聚物或它们的共混物。
所述步骤(2)中的基体聚合物为乙酸丁酸纤维素酯(CAB)、聚乳酸(PLA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)、聚羟基丁酸己酸酯(PHBHHx)等。
所述步骤(2)中的双螺杆挤出机参数为螺杆温度170℃-220℃。
所述步骤(3)中的溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷或丙酮。
本发明采用一种不相容熔融体系制备了碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维，制备方法简单高效，易于实现规模化生产。所得的超细复合纤维材料同时具有碳纳米管和纳米材料的功能，在电、热、磁等方面都具有良好的特性。
附图说明
图一：5wt％碳纳米管/聚丙烯复合纤维的SEM照片；
图二：5wt％碳纳米管/聚乙烯复合纤维的SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将MWNTs与PE按照质量比1∶99于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的CAB与MWNTs/PE母粒按照质量比95∶5经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得CAB/MWNTs/PE共混纤维。基体相CAB经丙酮溶解去除得到MWNTs/PE微纳米纤维集合体，扫描电镜观察MWNTs/PE纤维的直径分布范围为150-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例2
将MWNTs与PE按照质量比3∶97于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的CAB与MWNTs/PE母粒按照质量比90∶10经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得CAB/MWNTs/PE共混纤维。基体相CAB经丙酮溶解去除得到MWNTs/PE微纳米纤维集合体，扫描电镜观察MWNTs/PE纤维的直径分布范围为150-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例3
将MWNTs与PE按照质量比5∶95于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的CAB与MWNTs/PE母粒按照质量比80∶20经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得CAB/MWNTs/PE共混纤维。基体相CAB经丙酮溶解去除得到MWNTs/PE微纳米纤维集合体，扫描电镜观察MWNTs/PE纤维的直径分布范围为150-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例4
将MWNTs与PE按照质量比8∶92于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的CAB与MWNTs/PE母粒按照质量比90∶10经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得CAB/MWNTs/PE共混纤维。基体相CAB经丙酮溶解去除得到MWNTs/PE微纳米纤维集合体，扫描电镜观察MWNTs/PE纤维的直径分布范围为150-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例5
将MWNTs与PE按照质量比10∶90于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的CAB与MWNTs/PE母粒按照质量比90∶10经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得CAB/MWNTs/PE共混纤维。基体相CAB经丙酮溶解去除得到MWNTs/PE微纳米纤维集合体，扫描电镜观察MWNTs/PE纤维的直径分布范围为150-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例6
将MWNTs与PE按照质量比5∶95于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的PLA与MWNTs/PE母粒按照质量比80∶20经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得PLA/MWNTs/PE共混纤维。基体相PLA经三氯甲烷溶解去除得到连续的MWNTs/PE微纳米纤维集合体，常温干燥。扫描电镜观察MWNTs/PE纤维的直径分布范围为150-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例7
将MWNTs与PE按照质量比5∶95于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的PHB与MWNTs/PE母粒按照质量比80∶20经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得PHB/MWNTs/PE共混纤维。基体相PHB经三氯甲烷溶解去除得到连续的MWNTs/PE微纳米纤维集合体，常温干燥。扫描电镜观察MWNTs/PE纤维的直径分布范围为150-1000nm之间，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例8
将MWNTs与PE按照质量比5∶95于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的PHBV与MWNTs/PE母粒按照质量比90∶10经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得PHBV/MWNTs/PE共混纤维。基体相PHBV经三氯甲烷溶解去除得到连续的MWNTs/PE微纳米纤维集合体，常温干燥。扫描电镜观察MWNTs/PE纤维的直径分布范围为150-1000nm之间，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例9
将MWNTs与PE按照质量比5∶95于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的PHBHHx与MWNTs/PE母粒按照质量比90∶10经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得PHBHHx/MWNTs/PE共混纤维。基体相PHBHHx经三氯甲烷溶解去除得到连续的MWNTs/PE微纳米纤维集合体，常温干燥。扫描电镜观察MWNTs/PE纤维的直径分布范围为150-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施10
将MWNTs与PP按照质量比10∶90于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的CAB与MWNTs/PP母粒按照质量比70∶30经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得CAB/MWNTs/PP共混纤维。基体相CAB经丙酮溶解去除得到MWNTs/PP微纳米纤维集合体，扫描电镜观察MWNTs/PP纤维的直径分布范围为50-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例11
将MWNTs与PP按照质量比5∶95于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的PLA与MWNTs/PP母粒按照质量比80∶20经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得PLA/MWNTs/PP共混纤维。基体相PLA经三氯甲烷溶解去除得到连续的MWNTs/PP微纳米纤维集合体，常温干燥。扫描电镜观察MWNTs/PP纤维的直径分布范围为50-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
实施例12
将MWNTs与PP按照质量比3∶97于双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，真空干燥后的PHBV与MWNTs/PP母粒按照质量比90∶10经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得PHBV/MWNTs/PP共混纤维。基体相PHBV经三氯甲烷溶解去除得到连续的MWNTs/PP微纳米纤维集合体，常温干燥。扫描电镜观察MWNTs/PP纤维的直径分布范围为50-1000nm，碳纳米管在复合纤维内部及纤维空隙间分布。
比较例1
真空干燥后的CAB与PE按照质量比90∶10经双螺杆挤出机熔融挤出卷绕获得CAB/PE共混纤维，基体相CAB经丙酮溶解去除得到PE微纳米纤维集合体，扫描电镜观察PE纤维的直径分布范围为150-1000nm。

Claims (9)

1.一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维，其组分包括：碳纳米管和聚烯烃，其质量比为(1-10)∶(90-99)。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维，其特征在于：所述的碳纳米管占纤维质量的0.5～8％。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维，其特征在于：所述的纤维直径为50-1000nm。
4.一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维的制备方法，包括：
(1)将修饰后的碳纳米管与聚烯烃经双螺杆挤出机熔融造粒，得到碳纳米管/聚烯烃母粒，其中修饰后的碳纳米管与聚烯烃的质量比为(1-10)∶(90-99)；
(2)将上述母粒与基体聚合物经所述双螺杆挤出机熔融挤出，卷绕获得碳纳米管/聚烯烃/聚合物共混纤维，其中母粒与基体聚合物的质量比为(5-30)∶(70-95)；
(3)将上述共混纤维溶解在溶剂中，去除基体聚合物，获得碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维材料。
5.根据权利要求4所述的一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)修饰的方法为：将碳纳米管经体积比为3∶1的浓硫酸与浓硝酸混合液在130℃冷凝回流4h，洗涤，过滤，干燥。
6.根据权利要求4所述的一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的聚烯烃为聚乙烯PE、聚丙烯PP及其共聚物或它们的共混物。
7.根据权利要求4所述的一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的基体聚合物为乙酸丁酸纤维素酯CAB、聚乳酸PLA、聚羟基丁酸酯PHB、聚羟基丁酸戊酸酯PHBV或聚羟基丁酸己酸酯PHBHHx。
8.根据权利要求4所述的一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的双螺杆挤出机参数为螺杆温度170℃-220℃。
9.根据权利要求4所述的一种碳纳米管/聚烯烃微纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷或丙酮。
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