CN101967699B - 高性能碳纳米管纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能碳纳米管纤维的制备方法，其具体为：从可纺丝碳纳米管阵列中拉出碳纳米管薄膜，其后将碳纳米管薄膜以热固型聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液浸润，经加捻后形成碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维，然后对碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维进行固化处理，使该复合纤维中的聚酰胺酸形成具有网络状交联结构的聚酰亚胺，最终得到碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维。本发明工艺简单便捷，成本低廉，易于实现规模化生产，且制得的碳纳米管复合纤维具有优越的力学性能，其强度可达2.06GPa，韧性优于碳纤维，导电性与纯碳纳米管纤维相比保持不变，同时还具备普通纱线的可操作性，可以满足拉伸、合股、织造等后续处理工艺的需要。
Description
技术领域
本发明涉及纳米微复合材料领域的一种碳纳米管纤维的制备工艺，尤其涉及一种制备高性能碳纳米管纤维的方法。
背景技术
生物科学技术、信息科学技术和纳米科学技术是21世纪科学技术发展的主流。碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，具有完美的碳六边形连接结构，并且具有高强度、超轻量的力学特性以及独特的石墨层结构形成的特殊电学性质。如，单根纳米管的拉伸强度和弹性模量可达100GPa和1TPa。因此，碳纳米管自1991年被发现开始就成为科学研究的热点，并越来越显示出广阔的应用前景。但是为了能够实现工程上的应用，碳纳米管必须要经过组装形成宏观尺度的纤维材料，其中碳纳米管纤维技术是最具潜力并且成果显著的方向之一。
由于碳纳米管表面非常光滑，容易发生滑移，纳米管的组装结构存在取向、密度、弯曲程度等等影响因素，碳纳米管纤维的力学性能远低于单根碳纳米管。如何提高碳纳米管界面剪切模量从而增强纤维的力学性能是实现碳纳米管材料工程应用的关键
目前常用的碳纳米管纤维制备方法主要有如下所列的几种方法：
干法纺丝法，该方法是采用化学气相沉积法生长出微米级甚至毫米级碳纳米管阵列，从阵列中抽出一定宽度的碳纳米管纤维薄膜，然后通过加捻技术捻成纤维，但采用该方法所制备的，可实际应用的连续稳定碳纳米管纤维的力学强度低于2.0GPa。
直接纺丝法，该方法是在高温气相反应合成连续碳纳米管的过程中直接通过加捻制备碳纳米管纤维，利用该工艺目前已经可以得到公斤级碳纳米管纤维，不过该方法得到的碳纳米管纤维强度不稳定，结构缺陷较多，并且含有大量杂质。
湿法纺丝，该方法是通过将碳纳米管粉体与高聚物混合成分散液，然后在挤压过程中通过凝固浴凝固成纤维，但是湿法纺丝操作过程相对复杂，且含碳量低，纤维力学稳定性不够。另外一种湿法方法是将分散好的碳纳米管溶液利用静电纺丝法使其在电场力作用下从喷丝头喷出，形成含有纳米管的纳米级纤维，相对于前一种湿法纺丝，含碳量更低，并且碳管在纤维中不能很好地定向排列。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能碳纳米管纤维的制备方法，其可有效改善纳米管界面剪切模量以形成力学性能优良的碳纳米管纤维，且工艺简单易行，从而克服现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高性能碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，该方法为：从可纺丝碳纳米管阵列中拉出碳纳米管薄膜，其后将碳纳米管薄膜以热固型聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液浸润，经加捻后形成碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维，然后对碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维进行固化处理，令该复合纤维中的聚酰胺酸形成具有网络状交联结构的聚酰亚胺，最终得到碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维。
进一步地讲，该方法中是在加捻三角区以聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液对碳纳米管薄膜进行浸润的。
该方法中，是将碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维于150～240℃固化1小时以上，制得碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维。
该方法具体包括如下步骤：
I、取一可纺丝碳纳米管阵列放置于样品工作台上；
II、从可纺丝碳纳米管阵列中拉出碳纳米管薄膜，并将碳纳米管薄膜连接到纺丝机卷轴上做好连续纺丝准备；
III、纺丝机以设定拉伸速度和加捻速度运行，令碳纳米管纤维稳定连续输出，并在加捻三角区浸润聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液，从而在卷轴上得到碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维；
V、将碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维引入烘箱进行固化处理，得到碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维。
所述碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维中聚酰亚胺的体积百分比含量在5％以下，整体含碳量在97wt％以上，且复合纤维直径在5μm～20μm之间
该方法中，在制得碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维后，还将两股以上碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维进行合股，并在该两股以上碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维并合处添加粘连性高分子化合物溶液进行浸润，然后将并合后的纤维放入烘箱进行干燥。
所述粘连性高分子化合物的溶液为聚乙烯醇/水溶液或聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液。
前述的可纺丝碳纳米管阵列可以采用不同碳源(如：乙烯或乙炔)生长得到。
该方法中在不影响稳定连续纺丝的前提下可以调整加捻速度和拉伸速度，并也可以通过调整固化温度和固化时间调整固化程度(如，对于碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维，其温度区间可为150～240℃，固化时间可为1小时、1.5小时、2小时，甚至更长时间)。
再者，该方法中，在不影响稳定连续纺丝的前提下还可调整聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液的浓度，如母液浓度可为20％，而在纺丝过程中，根据需要可以稀释到15％、10％、5％等不同浓度。
又及，为提高高性能碳纳米管复合纤维材料的实际可操作性，该方法中可采用并合的方法将几根甚至几十根纤维并合在一起，纤维之间可浸润聚乙烯醇/水溶液、聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液或其它具有粘连性的高分子溶液，以提高纤维之间的相互结合程度。
另外，对高性能碳纳米管复合纤维进行拉伸时，为使纤维内部取向一致，可根据纤维性能差异，改变拉伸速度及拉伸倍数，也可以对纤维进行多次拉伸，拉伸温度可为室温或不同加热温度。其后，为提高上述碳纳米管复合纤维的力学性能，还可通过拉伸后续处理提高纤维内部结构的有序排列，从而提高纤维的整体拉伸强度。
与现有技术相比，本发明的积极效果体现在：
(1)该方法得到的碳纳米管复合纤维具有优越的力学性能，强度较高，可以达到2.06GPa，韧性优于碳纤维，并且制备得到的复合纤维导电性与纯碳纳米管纤维相比保持不变；
(2)该方法得到的碳纳米管复合纤维含碳量高，达到97％以上，纺丝过程中聚酰胺酸用量极小，完全避免了目前聚酰亚胺高成本的缺陷；
(3)该方法得到的纤维性能优于普通纱线，比如打结后可以维持打结前的拉伸强度，并具备普通纱线的可操作性，可以满足拉伸、合股、织造等需要；
(4)该方法简单便捷，基本是纺丝一步法，后处理一步法，易于实现规模化生产。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中一种制备碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维的部分工艺流程示意图；
图2是本发明具体实施方式中碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维固化前后差示扫描量热曲线变化图；
图3是本发明具体实施方式中碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维在不同温度下固化后得到的碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维的拉伸强度曲线图；
图4是本发明具体实施方式中碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维合股示意图；
图5是本发明具体实施方式中碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维拉伸示意图。
具体实施方式
以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。
本实施例的的目的是为了制出高性能的碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维，其技术构思利用聚合物分子提高碳纳米管的界面剪切模量，从而提高碳纳米管纤维的力学性能。
本实施例中作为操作对象的是可纺丝的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列生长的碳源可以为乙烯或者乙炔，而聚合物源采用成品聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液(可从厂家直接购买)。
如图1～5所示，本实施例中碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维的制备工艺包括如下步骤：
I、取可纺丝碳纳米管阵列放置于样品工作台上；
II、从可纺丝碳纳米管阵列中拉出碳纳米管薄膜，并将碳纳米管薄膜连接到纺丝机卷轴上做好连续纺丝准备；
III、纺丝机以设定拉伸速度和加捻速度运行(如图1所示)，令碳纳米管纤维稳定连续输出，在加捻三角区浸润浓度在5～20wt％聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液，并调整导丝装置使纺丝可以稳定连续进行，一段时间后在卷轴上得到一定长度的连续碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维；
V、将碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维引入烘箱进行固化处理(烘箱内温度在150～240℃之间，固化时间在1小时以上)，得到碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维，如图2所示是前述碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维固化前后差示扫描量热曲线变化情况，图3所示是在不同温度下固化所得单壁或多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的力学性能测试结果。
在制得碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维后，为满足实际应用的需要，还可采用图4所示方法对多个碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维进行并合，同样为了增加各股复合纤维之间的结合力，可以在多股复合纤维并合处添加聚乙烯醇/水溶液、聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液或其它具有粘连性的高分子溶液进行浸润，然后将并合后的纤维放入烘箱进行干燥。
进一步地，还可参考图5对制得的碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维进行拉伸处理，其中，供应端处的转速v1小于卷取端处的转速v2，通过固定v1，调整v2可使碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维在不同的拉伸倍数下进行拉伸。
Claims (7)
1.一种高性能碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，该方法为：从可纺丝碳纳米管阵列中拉出碳纳米管薄膜，其后将碳纳米管薄膜以热固型聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液浸润，经加捻后形成碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维，然后对碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维进行固化处理，令该复合纤维中的聚酰胺酸形成具有网络状交联结构的聚酰亚胺，最终得到碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维；
所述碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维中聚酰亚胺的体积百分比含量在5％以下，且该复合纤维整体含碳量在97wt％以上。
2.根据权利要求1所述的高性能碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，该方法中是在加捻三角区以聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液对碳纳米管薄膜进行浸润的。
3.根据权利要求1所述的高性能碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，该方法中，是将碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维于150～240℃固化1小时以上，制得碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维。
4.根据权利要求1所述的高性能碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
I、取一可纺丝碳纳米管阵列放置于样品工作台上；
II、从可纺丝碳纳米管阵列中拉出碳纳米管薄膜，并将碳纳米管薄膜连接到纺丝机卷轴上做好连续纺丝准备；
III、纺丝机以设定拉伸速度和加捻速度运行，令碳纳米管纤维稳定连续输出，并在加捻三角区浸润聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液，从而在卷轴上得到碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维；
V、将碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维引入烘箱进行固化处理，得到碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维。
5.根据权利要求1或4所述的高性能碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维直径在5μm～20μm之间
6.根据权利要求1或4所述的高性能碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，该方法中，在制得碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维后，还将两股以上碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维进行合股，并在该两股以上碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维并合处添加粘连性高分子化合物溶液进行浸润，然后将并合后的纤维放入烘箱进行干燥。
7.根据权利要求6所述的高性能碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于，所述粘连性高分子化合物的溶液为聚乙烯醇/水溶液或聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液。
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