CN103614810B - 一种碳基复合纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳基复合纤维的制备方法：将碳纳米管与氧化石墨烯制备为复合纤维，特别是将碳纳米管和氧化石墨烯制备为向列相溶液后通过纺丝技术制备为碳基复合纤维薄膜或者纤维束。本发明首次利用具有优良性能的碳纳米管和氧化石墨烯制备出了性能优良的碳基复合纤维，这将有助于碳基复合纤维特别是碳纳米管与氧化石墨烯的进一步推广应用。

Description

一种碳基复合纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳基复合纤维的制备方法，特别是将氧化石墨烯和碳纳米管构建向列相液晶溶液后通过凝固浴纺丝或者静电纺丝技术制备为复合纤维从而获得基于氧化石墨烯和碳纳米管的复合纤维束或者薄膜。

背景技术

研究表明碳具有多种结构形式，包括金刚石、石墨及无定形结构等。其中，近些年来，碳纳米管及石墨烯以其出色的性能而受到人们的关注。碳纳米管优异的力学性能，理论估计单壁碳纳米管（SWNTS）的拉伸强度为钢的100倍，而质量只有钢的1/6，并且延伸率可达到20%，其长度和直径之比可达100～1000，远远超出一般材料的长径比(约为20)，因而被称为“超强纤维”，其性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的易加工性。石墨烯则具有优异的力学性质(杨氏模量高达1.0TPa)、电学性质(电子迁移率高达10⁶cm²·V^-1·s^-1)、热学性质(热导系数高达5000W·m^-1·K^-1)、光学性质(单层石墨烯的可见光吸收仅有2.3%)和优异的锁模特性。

碳基纤维主要由聚丙烯腈纤维等有机纤维碳化及碳纳米管纺丝制成，碳基复合纤维主要是由碳纳米管或者氧化石墨烯增强有机纤维。但是由聚丙烯腈等有机纤维碳化及碳纳米管纺丝严苛的工艺要求影响其使用的进一步推广，碳基复合纤维的性能则受限于增强材料与其它有机材料的作用能力及添加比例。而研究表明碳纳米管与氧化石墨烯复合能够进一步提高相关复合材料的性能，因此开发碳纳米管与氧化石墨烯复合纤维就变得很有意义。为此，本发明在国际上首次提出将氧化石墨烯与碳纳米管以一定比例形成向列相溶液后通过凝固浴纺丝技术或者静电纺丝技术制备为新型碳基复合纤维，以便为氧化石墨烯和碳纳米管的进一步推广应用作贡献。

发明内容

针对上述目前技术存在的问题，本发明提供了一种碳基复合纤维的制备方法，首次将碳纳米管和氧化石墨烯制备为液晶向列相溶液后，再通过凝固浴纺丝或者静电纺丝技术制备为碳基复合纤维。

本发明的碳基复合纤维的制备通过下述方法实现：

首先将碳纳米管和氧化石墨烯按比例制备为向列相溶液，然后通过纺丝技术制备为碳基复合纤维；所述向列相溶液浓度介于1mg/mL至10mg/mL，浓度过低则不能形成向列相溶液而只能形成普通悬浊液，浓度太高则溶液中溶质分散不理想；所述向列相溶液中碳纳米管和氧化石墨烯的比例以重量计介于1:20至1:10。由于碳基复合纤维的性能与添加剂的比例有重要关系，因此选择合适的碳纳米管与氧化石墨烯的比例至关重要。

所述碳纳米管为单臂碳纳米管。

所述氧化石墨烯单片尺寸大于10μm，采用单片尺寸大于10μm的氧化石墨烯能增加氧化石墨烯间的相互作用，容易形成向列相溶液且便于进一步在静电纺丝过程中有序排列形成性能优良的纳米纤维。

所述纺丝技术为凝固浴纺丝技术或者静电纺丝技术。

所述碳基复合纤维以纤维薄膜或者纳米纤维束的形式存在。

目前包括碳基复合纤维在内的碳基纤维虽然已经发展了很多制备技术，然而由于制备工艺的严苛或者由于复合性能的欠缺使其应用的进一步推广受到限制。由于最新研究表明，在薄膜中碳纳米管能够有效提高氧化石墨烯薄膜的性能，因此本发明的有益效果在于：首次将性能优良的碳纳米管作为添加剂，再结合氧化石墨烯制备出了性能优良的新型碳基复合纤维；而且本发明克服了目前碳化纤维制备过程中聚丙烯腈等有机纤维碳化及碳纳米管纺丝工艺要求高的难题，便于碳纳米管与氧化石墨烯的进一步推广应用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一：

首先将干的膨胀石墨片在1050℃处理15秒。随后将50g膨胀石墨和10L浓硫酸在反应瓶中混合搅拌24小时。随后滴加500g的高锰酸钾。混合物转移至冰浴中，并缓慢加入10L双蒸水和2500mL双氧水，使得悬浮物的颜色转变为淡棕色。另外再搅拌30min，然后用水与盐酸体积比为9:1的盐酸水溶液进行清洗、离心，随后再用双蒸水清洗、离心至溶液的PH值在5-6之间。所获得的氧化石墨烯片通过轻轻摇晃而分散在去离子水中。

随后将30mL2.5mg/mL的液晶氧化石墨烯水溶液倒入含有40mLN-环己基-2-吡咯烷酮的100mL离心管中，然后通过涡旋振荡器剧烈混合。离心管置于离心器中以11000rpm离心30min，弃去60mL的上清液，换之以60mLN-环己基-2-吡咯烷酮并通过涡旋振荡器剧烈混合。该过程重复5次以N-环己基-2-吡咯烷酮替换水。最后在离心弃去60mL溶液后再加入5mLN-环己基-2-吡咯烷酮并通过涡旋振荡器剧烈混合得到液晶向列相的8mg/mL氧化石墨烯N-环己基-2-吡咯烷酮溶液。

另外配制0.8mg/mL的单臂碳纳米管的N-环己基-2-吡咯烷酮溶液。然后将氧化石墨烯的溶液和单臂碳纳米管的溶液以体积比1:1混合得到向列相的含4mg/mL的氧化石墨烯和0.4mg/mL的单臂碳纳米管的N-环己基-2-吡咯烷酮溶液。

取2mL该溶液加入注射器，并将注射器以水平方式固定，其上5号不锈钢针头距离垂直固定的铝箔约20cm，注射器针头连接负压高压电源负极，而铝箔连接负压高压电源正极。本实施例采用静电纺丝技术，以注射泵控制注射器以2mL/h的速度供给溶液，开启高压电源开关，使得注射器针头与铝箔间的电压为-20000V。含碳纳米管的氧化石墨烯溶液即在空中经过喷射、边摆运动后收集在铝箔上而获得碳纳米管与氧化石墨烯复合的纳米纤维薄膜。

实施例二：

首先配制液晶向列相的4mg/mL氧化石墨烯N-环己基-2-吡咯烷酮溶液。另外配制0.4mg/mL的单臂碳纳米管的N-环己基-2-吡咯烷酮溶液。将两溶液以体积比1:1混合。本实施例采用凝固浴纺丝技术，将该混合溶液通过一个有50个孔径为100μm的喷丝头喷出至其下方20cm处以丙酮为凝固浴的溶液中固化后，引导纤维束至位于其侧面30cm的滚轮上，随后滚轮以3m/min的速度收集碳纳米管与氧化石墨烯的复合纤维束即获得有碳纳米管和氧化石墨烯复合而成的纤维束丝线。

实施例三

配制向列相的含2mg/mL的氧化石墨烯和0.1mg/mL的单臂碳纳米管的N-环己基-2-吡咯烷酮溶液，该向列相溶液中碳纳米管和氧化石墨烯的重量比为1:20，其它如实施例一。

实施例四

配制向列相的含9.5mg/mL的氧化石墨烯和0.5mg/mL的单臂碳纳米管的N-环己基-2-吡咯烷酮溶液，其它如实施例一。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种碳基复合纤维的制备方法，其特征在于，首先将碳纳米管和氧化石墨烯按比例以重量计介于1:20至1:10之间制备为浓度介于1mg/mL至10mg/mL的向列相溶液，然后通过纺丝技术制备为碳基复合纤维。

2.根据权利要求1所述的碳基复合纤维的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为单臂碳纳米管。

3.根据权利要求1所述的碳基复合纤维的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯单片尺寸大于10μm。

4.根据权利要求1所述的碳基复合纤维的制备方法，其特征在于，所述纺丝技术为凝固浴纺丝技术或者静电纺丝技术。

5.根据权利要求1所述的碳基复合纤维的制备方法，其特征在于，所述碳基复合纤维以纤维薄膜或者纳米纤维束的形式存在。