CN106948175A - 一种具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料及其制备方法，该复合导电材料是以静电纺丝制得的碳纤维为芯材，以浆粕纤维为面材，通过溶解后析出的方式将浆粕纤维均匀的包覆在碳纤维表面进而获得的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料。本发明的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法采取如下步骤：包括棉浆粕的疏解、纤维素的溶解、纺丝液的制备、静电纺丝、碳纤维的制备以及纤维素基复合导电材料的制备等六个阶段；制得的纤维素基复合导电材料的电导率为160S/m~170S/m，电流密度可达1200A/cm2；本发明提供的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法简单，符合可持续发展的要求。

Description

一种具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体地说，是涉及一种以基于静电纺丝纤维的碳纤维为芯材，以浆粕纤维为面材，通过溶解后析出的方式将浆粕纤维均匀的包覆在碳纤维表面而获得的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料及其制备方法。
背景技术
近年来，基于氮化物和氟化物等的导电薄膜已经成为导电材料领域的研究热点之一[庞志鹏，孙晓刚，程晓圆，吴小勇，付琦.碳纤维-碳纳米管复合导电纸的制备及电磁屏蔽性能研究，人工晶体学报，2015，5；Xu Q，Shen W，Huang Q，Yang Y，Tan R，Zhu K.Flexibletransparent conductive films on PET substrates with an AZO/Ag NW/AZO sandwichstructure.Journal of Materials Chemistry C，2014,19；钟林新，张美云，陈均志，刘叶.碳纤维屏蔽纸屏蔽性能的研究，中国造纸学报，2008，4]，但是长远来看，其原材料的稀缺等导致其推广应用存在局限性。而基于环境友好的纤维素基导电复合材料在柔性器件、生物传感器及能量存储器件等方面开始得到广泛关注[吕少一，傅峰，王思群，黄景达，胡拉.纳米纤维素基导电复合材料研究进展，林业科学，2015，10；覃杏珍，胡华宇，黄爱民，沈芳，黄祖强.纤维素基导电功能材料研究进展，大众科技，2012，158]。
纤维素基导电复合材料的成型方法主要包括两类：第一类，纤维素基材与导电材料以溶液状态混合后成型[Koga H，Saito T，Kitaoka T，Nogi M，Suganuma K，IsogaiA.Transparent，conductive，and printable composites consisting of TEMPO-oxidized nanocellulose and carbon nanotube，Biomacromolecules，2013，4；Hamedi MM，Hajian A，Fall AB，Hakansson K，Salajkova M，Lundell F.Highly conducting，strongnanocomposites based on nanocellulose-assisted aqueous dispersions of single-wall carbon nanotubes，ACS Nano，2014，3]；第二类，将导电材料直接附着在已成型的纤维素基材表面等[Sasso C，Zeno E，Petit-Conil M，Chaussy D，Belgacem M N，Tapin-Lingua S.Highly conducting polypyrrole/cellulose nanocomposite films withenhanced mechanical properties，Macromolecular Materials and Engineering，2010，10；Razaq A，Nyholm L，Sjodin M，Stromme M，Mihranyan A.Paper-based energy-storagedevices comprising carbon fiber-reinforced polypyrrole-cladophorananocellulose composite electrodes，Advanced Energy Materials，2012，4；杨小平，荣浩鸣，陆泽栋.碳纤维导电复合材料的电学性能研究，材料工程，2000，4]。
目前常用于制备纤维素基导电复合材料的方法难以实现导电物质的均匀分布，所得复合材料的电导率受制备方法影响显著，且制备过程中会消耗大量化学品并产生挥发性的污染物，不利于环境保护和可持续发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对纤维素基复合导电材料结构均匀性难以保证等不足，提供一种具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料，其是以基于静电纺丝纤维的碳纤维为芯材，然后将上述芯材浸没在溶于离子液体的浆粕纤维中，最后使浆粕纤维析出并成型于碳纤维表面而制得的一种复合导电材料。
所述的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法，采取如下步骤：
(1)将棉浆粕浸泡于蒸馏水中20min后进行疏解，疏解过程转速为10000转/min，疏解时间为5min，疏解后将所得纤维在低温下烘至含水率低于1％得到烘干纤维；
(2)取步骤(1)所得的烘干纤维与离子液体按照质量比1:100混合均匀，在120℃的条件下加热并机械搅拌反应60min制得纤维素溶液；
(3)将聚丙烯腈与N，N-二甲基甲酰胺按质量比1:8～1:12混合后置于锥形瓶中进行水浴加热，水浴温度为80℃，水浴过程中上述混合物需机械搅拌直至完全溶解后获得纺丝液；
(4)将步骤(3)制备获得的纺丝液装入注射器中进行静电纺丝，获得静电纺丝纤维；
(5)将步骤(4)制得的静电纺丝纤维在空气中进行预氧化，然后在氮气保护下进行高温碳化，制得碳纤维；
(6)将步骤(5)制得的碳纤维浸泡于步骤(2)所得的纤维素溶液中，向上述浸泡有碳纤维的纤维素溶液中加入蒸馏水后进行真空抽滤，然后将滤饼取出经低温干燥制得具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料。
进一步的，所述步骤(1)中，棉浆粕与蒸馏水的质量比为1:15，疏解后的纤维烘干温度为45℃。
进一步的，所述步骤(2)中，机械搅拌的转速为40r/min，烘干纤维溶解于离子液体的反应方程式如下：
其中：[X]+是[EMIM]+或者[BMIM]+或者[BZMIM]+。
进一步的，所述步骤(3)中，聚丙烯腈与N，N-二甲基甲酰胺的混合物的机械搅拌转速为120r/min。
进一步的，所述步骤(4)中，静电纺丝过程的电压为16kV，接收距离为25cm，注射器控制流速为1.0mL/h～4.0mL/h，阳极与针头连接，连接阴极的铝箔为接收器，得到的静电纺丝纤维的直径为50nm～80nm，长度为300nm～500nm。
进一步的，所述步骤(5)中，预氧化的升温速率为1.0℃/min，最高温度为280℃，保温时间为150min，预氧化过程发生的反应为：
高温碳化的升温速率为10℃/min，最高温度为1200℃，保温时间为60min，高温碳化过程发生的反应为：
进一步的，所述步骤(6)中，每1.0g碳纤维需要纤维素溶液200g～500g，纤维素溶液与蒸馏水的质量比为1:1；低温干燥的温度为40℃，干燥时间为24h。
本发明的有益效果在于：(1)本发明提供了一种具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法；(2)本发明利用溶于离子液体的浆粕纤维素对碳纤维表面进行包覆，使所得复合导电材料具有突出的生物相容性；(3)本发明制备过程中不涉及挥发性有毒物质，溶剂可回收再利用，是制备环境友好型导电材料的有益原料；(4)本发明制得的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的电导率为160S/m～170S/m，电流密度可达1200A/cm2以上；(5)本发明提供的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法易与现有技术结合，可实现工业化生产。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围并不受此限制。
实施例1
本实施例的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法如下：
(1)将3.0g棉浆粕在45ml蒸馏水中浸泡20min后进行疏解，将疏解后所得纤维在45℃下烘至含水率低于1.0％，获得2.7g的烘干纤维；
(2)取2.0g烘干纤维与200g的[EMIM]+[Cl]-混合均匀后置于三口烧瓶中，利用电热套将其加热至120℃，在40r/min的机械搅拌条件下反应60min，制得完全溶解的纤维素溶液201.8g；
(3)取2.0g的聚丙烯腈与16g的N，N-二甲基甲酰胺混合后置于锥形瓶中进行80℃水浴加热，在120r/min条件下搅拌上述混合物直至完全溶解后获得纺丝液17.9g；
(4)取17g纺丝液装入注射器中进行静电纺丝，注射泵控制流速为1.0ml/h，制得静电纺丝纤维16.2g；
(5)取16g静电纺丝纤维在空气中进行预氧化，然后在氮气保护下进行高温碳化，制备获得碳纤维1.3g；
(6)取1.0g的碳纤维浸泡于200g纤维素溶液中，向上述浸泡有碳纤维的纤维素溶液中加入200g蒸馏水后进行真空抽滤，然后将滤饼取出经40℃低温干燥24h后获得2.8g的纤维素基复合导电材料。
上述纤维素基复合导电材料的电导率为167.7S/m，电流密度为1230A/cm2。
实施例2
本实施例的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法如下：
(1)将6.0g棉浆粕在90ml蒸馏水中浸泡20min后进行疏解，将疏解后所得纤维在45℃下烘至含水率低于1.0％，获得5.6g的烘干纤维；
(2)取5.0g烘干纤维与500g的[BMIM]+[Cl]-混合均匀后置于三口烧瓶中，利用电热套将其加热至120℃，在40r/min的机械搅拌条件下反应60min，制得完全溶解的纤维素溶液503.7g；
(3)取3.0g的聚丙烯腈与27g的N，N-二甲基甲酰胺混合后置于锥形瓶中进行80℃水浴加热，在120r/min条件下搅拌上述混合物直至完全溶解后获得纺丝液28.7g；
(4)取28g纺丝液装入注射器中进行静电纺丝，注射泵控制流速为2.0ml/h，制得静电纺丝纤维26.5g；
(5)取25g静电纺丝纤维在空气中进行预氧化，然后在氮气保护下进行高温碳化，制备获得碳纤维2.2g；
(6)取1.5g的碳纤维浸泡于450g纤维素溶液中，向上述浸泡有碳纤维的纤维素溶液中加入450g蒸馏水后进行真空抽滤，然后将滤饼取出经40℃低温干燥24h后获得5.2g的纤维素基复合导电材料。
上述纤维素基复合导电材料的电导率为165.3S/m，电流密度为1218A/cm2。
实施例3
本实施例的具有稳定电阻率的纤维素基复合导电材料的制备方法如下：
(1)将9.0g棉浆粕在135ml蒸馏水中浸泡20min后进行疏解，将疏解后所得纤维在45℃下烘至含水率低于1.0％，获得8.7g的烘干纤维；
(2)取8.5g烘干纤维与850g的[BMIM]+[Cl]-混合均匀后置于三口烧瓶中，利用电热套将其加热至120℃，在40r/min的机械搅拌条件下反应60min，制得完全溶解的纤维素溶液856.2g；
(3)取4.0g的聚丙烯腈与40g的N，N-二甲基甲酰胺混合后置于锥形瓶中进行80℃水浴加热，在120r/min条件下搅拌上述混合物直至完全溶解后获得纺丝液43.6g；
(4)取42g纺丝液装入注射器中进行静电纺丝，注射泵控制流速为3.0ml/h，制得静电纺丝纤维40.7g；
(5)取40g静电纺丝纤维在空气中进行预氧化，然后在氮气保护下进行高温碳化，制备获得碳纤维3.1g；
(6)取2.0g的碳纤维浸泡于800g纤维素溶液中，向上述浸泡有碳纤维的纤维素溶液中加入800g蒸馏水后进行真空抽滤，然后将滤饼取出经40℃低温干燥24h后获得9.2g的纤维素基复合导电材料。
上述纤维素基复合导电材料的电导率为164.6S/m，电流密度为1215A/cm2。
实施例4
本实施例的具有稳定电阻率的纤维素基复合导电材料的制备方法如下：
(1)将12.0g棉浆粕在180ml蒸馏水中浸泡20min后进行疏解，将疏解后所得纤维在45℃下烘至含水率低于1.0％，获得11.7g的烘干纤维；
(2)取11.0g烘干纤维与1100g的[BZMIM]+[Cl]-混合均匀后置于三口烧瓶中，利用电热套将其加热至120℃，在40r/min的机械搅拌条件下反应60min，制得完全溶解的纤维素溶液1108.5g；
(3)取5.0g的聚丙烯腈与60g的N，N-二甲基甲酰胺混合后置于锥形瓶中进行80℃水浴加热，在120r/min条件下搅拌上述混合物直至完全溶解后获得纺丝液64.1g；
(4)取60g纺丝液装入注射器中进行静电纺丝，注射泵控制流速为4.0ml/h，制得静电纺丝纤维56.3g；
(5)取55g静电纺丝纤维在空气中进行预氧化，然后在氮气保护下进行高温碳化，制备获得碳纤维3.7g；
(6)取2.0g的碳纤维浸泡于1000g纤维素溶液中，向上述浸泡有碳纤维的纤维素溶液中加入1000g蒸馏水后进行真空抽滤，然后将滤饼取出经40℃低温干燥24h后获得10.8g的纤维素基复合导电材料。
上述纤维素基复合导电材料的电导率为162.2S/m，电流密度为1206A/cm2。

Claims (9)

1.一种具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料，其特征在于：所述的纤维素基复合导电材料是以静电纺丝制得的碳纤维为芯材，然后将碳纤维浸没于浆粕纤维溶液中，最后使浆粕纤维析出并成型于碳纤维表面而获得的一种复合导电材料。
2.权利要求1所述的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法，其特征在于采取如下步骤：
(1)将棉浆粕浸泡于蒸馏水中20min后进行疏解，疏解过程转速为10000转/min，疏解时间为5min，疏解后将所得纤维在低温下烘至含水率低于1％得到烘干纤维；
(2)取步骤(1)所得的烘干纤维与离子液体按照质量比1:100混合均匀，在120℃的条件下加热并机械搅拌反应60min制得纤维素溶液；
(3)将聚丙烯腈与N，N-二甲基甲酰胺按质量比1:8～1:12混合后置于锥形瓶中进行水浴加热，水浴温度为80℃，水浴过程中上述混合物需机械搅拌直至完全溶解后获得纺丝液；
(4)将步骤(3)制备获得的纺丝液装入注射器中进行静电纺丝，获得静电纺丝纤维；
(5)将步骤(4)制得的静电纺丝纤维在空气中进行预氧化，然后在氮气保护下进行高温碳化，制得碳纤维；
(6)将步骤(5)制得的碳纤维浸泡于步骤(2)所得的纤维素溶液中，向上述浸泡有碳纤维的纤维素溶液中加入蒸馏水后进行真空抽滤，然后将滤饼取出经低温干燥制得具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料。
3.根据权利要求2所述的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，棉浆粕与蒸馏水的质量比为1:15，疏解后所得纤维的烘干温度为45℃。
4.根据权利要求2所述的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，机械搅拌的转速为40r/min，烘干纤维溶解于离子液体的反应方程式如下：
其中：[X]+是[EMIM]+、[BMIM]+或[BZMIM]+。
5.根据权利要求2所述的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，聚丙烯腈与N，N-二甲基甲酰胺的混合物的机械搅拌转速为120r/min。
6.根据权利要求2所述的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，静电纺丝过程的电压为16kV，接收距离为25cm，注射器控制流速为1.0mL/h～4.0mL/h，阳极与针头连接，连接阴极的铝箔为接收器，得到的静电纺丝纤维的直径为50nm～80nm，长度为300nm～500nm。
7.根据权利要求2所述的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，预氧化的升温速率为1.0℃/min，最高温度为280℃，保温时间为150min，预氧化过程发生的反应为：
高温碳化的升温速率为10℃/min，最高温度为1200℃，保温时间为60min，高温碳化过程发生的反应为：
8.根据权利要求2所述的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，每1.0g碳纤维需要纤维素溶液200g～500g，纤维素溶液与蒸馏水的质量比为1:1；低温干燥的温度为40℃，干燥时间为24h。
9.根据权利要求1所述的具有稳定电导率的纤维素基复合导电材料，其特征在于：该纤维素基复合导电材料的电导率为160S/m～170S/m，电流密度达1200A/cm2以上。
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