CN105070366B - 一种碳纳米纤维电缆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纳米纤维电缆及其制备方法，该电缆由平行取向的具有皮芯结构的碳纳米纤维组成，呈沿轴向加捻的纱线结构。皮层为石墨碳，芯层为铜纳米粒子，碳纳米纤维表面附着铜纳米粒子。本发明制备的掺杂金属铜离子的连续加捻的碳纳米纤维纱线电缆材料，具有较细的纤维直径和纱线直径，良好的导电性和较高的纱线取向度，电阻率较小，有利于电子的快速传输。制作工艺简单，成本低廉，对环境友好，可以作为纳米电缆，具有广泛的应用前景。

Description

一种碳纳米纤维电缆及其制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维材料领域，涉及一种碳纳米纤维电缆及其制备方法，具体涉及一种利用静电纺丝技术制备的碳纳米纤维电缆。
背景技术
电缆通常是由几根或几组导线（每组至少两根）绞合而成，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的覆盖层将电力或信息从一处传输到另一处。电缆具有内通电，外绝缘的特征。电缆有电力电缆、补偿电缆、屏蔽电缆、高温电缆、信号电缆、同轴电缆等等。纳米电缆是指外部壳体和芯部纳米线是同轴的，芯部为半导体或导体的纳米线，外层包覆着异质壳体。这类材料由于其独特的结构特点，因而具有丰富的科学内涵，在纳米器件的研究开发中占有重要的地位，引起了研究者们的极大关注。
碳纳米纤维是由多层石墨片卷曲而成的纤维状纳米炭材料，它的直径一般为10nm~500 nm，长度分布在0.5μｍ~100 μｍ，是介于纳米碳管和普通碳纤维之间的准一维碳材料。碳纳米纤维作为一种新型碳材料，具有优异的物理、力学性能和化学稳定性，如高的比表面积、力学强度，较好的导电性、导热性和热稳定性等。静电纺丝是一种基于高压静电场下导电流体产生高速喷射原理发展而来的不同于常规方法的纺丝技术，所纺纳米纤维具有较细的直径和较大的比表面积。本发明利用静电纺丝技术和碳化方法相结合，制备了一种碳纳米纤维电缆。该连续的碳纳米纤维纱中碳纳米纤维沿纱轴取向，且负载有铜离子，具有良好的电学、热学和声学的传导性，在纳米电缆、电子器件等领域将有非常广泛的运用。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米纤维电缆。
本发明的技术方案是：一种碳纳米纤维电缆，该电缆由平行取向的具有皮芯结构的碳纳米纤维电缆组成。碳纳米纤维沿轴向加捻，呈纱线结构。皮层为石墨碳，芯层为铜纳米粒子，碳纳米纤维表面附着铜纳米粒子。碳纳米纤维的直径为100纳米—400纳米，铜纳米粒子的尺寸为0.5纳米—2.0纳米，碳和铜离子的质量比为1：0.1-1.0。
制备这种碳纳米纤维电缆的方法，其特征在于采用如下步骤：
（1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在50℃—100℃下搅拌3h—10h，得到质量分数为5%—15%的聚丙烯腈溶液，所述的聚丙烯腈的分子量为50000—150000；
（2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:0.1-1.0加入到二甲基甲酰胺溶液中，在50℃—100℃下搅拌3h—10h得到混合溶液，所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为20000-23000，醋酸铜的质量分数为5%—15%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为2%—15%；
（3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成，两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方，正负喷丝头之间的距离14cm—20cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离4cm—10cm，所述的喷丝头7为三单元同轴结构（图2），由外层，中间层和内层组成；
（4）将步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液，利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为30捻/10cm—60捻/10cm的纳米纤维纱线。最外层、中间层和最内层的纺丝溶液流量分别为0.1ml/h—0.3ml/h、0.3ml/h—0.9 ml/h和0.1ml/h—0.3ml/h，纺丝电压为10 kV-30 kV，纺丝温度为20 ℃—25 ℃，喇叭转速0-180 r/min，卷绕速度0-50 r/min；
（5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在240 ℃—300℃温度下进行预氧化，时间2h—10h，升温速率：1℃/min—10 ℃/min，将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下800℃—1100℃碳化2h—5h，升温速率：2 ℃/min—10 ℃min，得到碳纳米纤维电缆。
本发明制备的碳纳米纤维电缆具有以下优点：
（1）本发明利用简单的静电纺丝法和碳化工艺，整个制作过程简便易操作，工艺简单，成本低廉，对环境友好；
（2）碳纳米纤维电缆导电性好，碳纳米纤维之间由铜粒子相互连接，有利于碳纳米纤维之间电子的传输。
附图说明
图1为所搭建的静电纺丝装置示意图。其中：1、压力；2、负极；3、正极；4、电极；5、金属喇叭；6、纳米纤维；7、喷丝头；8、导液管；9、纳米纤维网；10、纳米纤维纱；11、卷绕装置；12、储液罐。
图2为所制备的碳纳米纤维电缆的电镜照片。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进一步描述。
一种碳纳米纤维电缆，该电缆由平行取向的具有皮芯结构的碳纳米纤维组成。碳纳米纤维沿轴向加捻，呈纱线结构。皮层为石墨碳，芯层为铜纳米粒子，碳纳米纤维表面附着铜纳米粒子。碳纳米纤维的直径为100纳米—400纳米，铜纳米粒子的尺寸为0.5纳米—2.0纳米，碳和铜离子的质量比为1：0.1-1.0。
实施例1
一种碳纳米纤维电缆的制备方法，采用如下步骤：
（1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在90℃下搅拌3h，得到质量分数为5%的聚丙烯腈溶液。所述的聚丙烯腈的分子量为50000；
（2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:0.1加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌3h得到混合溶液。所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为20000，醋酸铜的质量分数为5%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为10%；
（3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由高压发生器1，喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成。两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方。高压发生器1的负极2和正极3分别与导液管8相连，正负喷丝头之间的距离14cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离4cm。所述的喷丝头7为三单元同轴结构，由外层，中间层和内层组成；
（4）步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液。利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为30捻/10cm的纳米纤维纱线10，最外层，中间层和最内层的纺丝溶液流量分别0.1ml/h， 0.3ml/h和0.1ml/h。纺丝电压为10 kV，纺丝温度为20 ℃，喇叭转速50 r/min，卷绕速度10 r/min；
（5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在240 ℃温度下进行预氧化，时间2h，（升温速率：5℃/min）。将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下800℃碳化2h（升温速率：2 ℃/min），得到碳纳米纤维电缆。
表1显示了掺杂铜离子的碳纳米纤维的电学性质。碳纳米纤维电缆的表面形态结构的SEM照片如图2所示，由图2可以看出，碳纳米纤维纱线取向良好，纤维呈中空结构，内外表面负载均匀的铜纳米离子，铜纳米离子的尺寸为1.0纳米—10.0纳米，晶格条纹明显。
实施例2
一种碳纳米纤维电缆的制备方法，采用如下步骤：
（1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌4h，得到质量分数为10%的聚丙烯腈溶液。所述的聚丙烯腈的分子量为100000；
（2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:0.5加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌4h得到混合溶液。所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为20000，醋酸铜的质量分数为10%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为10%；
（3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成。两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方。正负喷丝头之间的距离16 cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离7 cm。所述的喷丝头7为三单元同轴结构由外层，中间层和内层组成；
（4）步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液。利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为40捻/10cm的纳米纤维纱线。最外层，中间层和最内层的纺丝溶液流量分别0.2ml/h，0.3ml/h和0.2ml/h。纺丝电压为15 kV，纺丝温度为22 ℃，喇叭转速50 r/min，卷绕速度30r/min；
（5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在270 ℃温度下进行预氧化，时间5h，（升温速率：1℃/min）。将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下900℃碳化3h（升温速率：2 ℃/min），得到碳纳米纤维电缆，其电学性质如表1所示。
实施例3
一种碳纳米纤维电缆的制备方法，采用如下步骤：
（1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在80℃下搅拌5h，得到质量分数为12%的聚丙烯腈溶液。所述的聚丙烯腈的分子量为150000；
（2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:0.5加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌5h得到混合溶液。所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为23000，醋酸铜的质量分数为11%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为15%；
（3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成。两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方。正负喷丝头之间的距离17 cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离6 cm。所述的喷丝头7为三单元同轴结构由外层，中间层和内层组成；
（4）步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液。利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为50捻/10cm的纳米纤维纱线。最外层，中间层和最内层的纺丝溶液流量分别0.3ml/h，0.7 ml/h和0.3ml/h。纺丝电压为22 kV，纺丝温度为22℃，喇叭转速100 r/min，卷绕速度40r/min；
（5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在280℃温度下进行预氧化，时间5h，（升温速率：1℃/min）。将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下1100℃碳化3h（升温速率：2 ℃/min），得到碳纳米纤维电缆，其电学性质如表1所示。
实施例4
一种碳纳米纤维电缆的制备方法，采用如下步骤：
（1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在80℃下搅拌6h，得到质量分数为15%的聚丙烯腈溶液。所述的聚丙烯腈的分子量为50000；
（2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:1加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌4h得到混合溶液。所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为23000，醋酸铜的质量分数为10%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为15%；
（3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成。两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方。正负喷丝头之间的距离20 cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离10 cm。所述的喷丝头7为三单元同轴结构由外层，中间层和内层组成；
（4）步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液。利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为60捻/10cm的纳米纤维纱线。最外层，中间层和最内层的纺丝溶液流量分别0.1ml/h，0.5ml/h和0.3ml/h。纺丝电压为25 kV，纺丝温度为25 ℃，喇叭转速160 r/min，卷绕速度50r/min；
（5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在280℃温度下进行预氧化，时间5h，（升温速率：5℃/min）。将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下1100℃碳化3h（升温速率：5 ℃/min），得到碳纳米纤维电缆，其电学性质如表1所示。
表1 碳纳米纤维电缆的电学性质
种类 实例1 实例2 实例3 实例4
电导率（s） 2.5634 2.7180 3.7213 3.5214
因此，本发明得到的掺杂铜离子的碳纳米纤维纱线电缆材料，具有较好的取向结构，较细的纤维直径和纱线直径，良好的导电性，电阻率较小，有利于电子的快速传输。实现本发明目的的技术方案是：一种负载金属铜离子的连续加捻的碳纳米纤维纱线，由铜离子和碳纳米纤维纱线组成，碳和铜离子的质量比为1:0.2-1.0。这种功能性碳纳米纤维纱具有较高的长径比、高的传热导电性能、比较完整的石墨化结构、良好的化学稳定性、超高的机械强度和模量等优点。

Claims (3)

1.一种碳纳米纤维电缆，其特征在于：它是由平行取向的具有皮芯结构的碳纳米纤维电缆组成，碳纳米纤维电缆沿轴向加捻，呈纱线结构，碳和铜离子的质量比为1：（0.2-1.0），所述的碳纳米纤维电缆的制备方法，按以下步骤进行：
（1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在50-100℃下搅拌3-10h，得到质量分数为5-15%的聚丙烯腈溶液，所述的聚丙烯腈的分子量为50000-150000；
（2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:（0.1-1.0）加入到二甲基甲酰胺溶液中，在50-100℃下搅拌3-10h得到混合溶液，所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为20000-23000，醋酸铜的质量分数为5-15%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为2-15%；
（3）将步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液，利用静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为30-60捻/10cm的纳米纤维纱线，最外层、中间层和最内层的纺丝溶液流量分别为0.1-0.3ml/h、0.3-0.9 ml/h和0.1-0.3ml/h，纺丝电压为10 -30 kV，纺丝温度为20 -25 ℃，喇叭转速0-180r/min，卷绕速度0-50 r/min；
（4）将步骤（3）所得纳米纤维纱线在240 -300℃温度下进行预氧化，时间2-10h，升温速率为1-10 ℃/min，将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下800-1100℃碳化2-5h，升温速率：2 -10 ℃/min，得到碳纳米纤维电缆。
2.根据权利要求1所述的碳纳米纤维电缆，其特征在于：所述的碳纳米纤维电缆皮层为石墨碳，芯层为铜纳米粒子，碳纳米纤维表面附着铜纳米粒子。
3.根据权利要求2所述的碳纳米纤维电缆，其特征在于：所述的碳纳米纤维直径为100纳米-400纳米，铜纳米粒子的尺寸为0.5-2.0纳米。
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