CN107541809B - 高强度、高韧性、高导电单壁碳纳米管纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高强度、高韧性、高导电单壁碳纳米管纤维，解决了现有技术中单壁碳纳米管纤维的力学性能、导电性和韧性差的问题。本发明是按照下述方式进行的：S01、采用CVD制备单壁碳纳米管薄膜；S02、将上述单壁碳纳米管薄膜加上负重后，通过旋转纺织成单壁碳纳米管纤维；S03、利用轧辊机将上述单壁碳纳米管纤维压扁形成致密化的纤维。本发明采用化学气相沉积法制备出单壁碳纳米管薄膜，得到的单壁碳纳米管薄膜具有较高的力学强度和很好的导电性、导热性。再利用旋转纺织的方法，将单壁碳纳米管薄膜纺织成纤维，并利用机械碾压法，极大提高单壁碳纳米管纤维的致密度，增加单壁碳纳米管间的相互接触，提高了碳纳米管纤维的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料的加工和应用技术领域，具体涉及一种单壁碳纳米管纤维的制备方法。
背景技术
碳纳米管作为一种具有优良的电学，力学，热学性能的材料，而倍受科学家的关注，被广泛应用于超级电容器，传感器，导线，半导体元器件等方面。具有轻质、柔性、高强度、导电、导热、可编织等特点，在多功能纤维、功能复合材料、传感、能源材料及柔性可穿戴器件等领域具有广阔的应用前景。然而迄今为止，研究人员得到的碳纳米管纤维的最高强度为8.8GPa，模量为357GPa，这些值和单根的碳纳米管相比，低了几个数量级。如何实现纳米尺度优异性能在宏观尺度上的拓展，成为碳纳米管以及碳纳米管纤维应用的关键问题。
通过大量的研究工作发现影响碳纳米管纤维机械性能的因素有很多，纳米尺度上包括碳纳米管的直径、厚度以及管的长度等，微观尺度上包括碳纳米管的有序程度、管间的滑移以及力在管间的传输等，宏观尺度上包括纤维直径、长度和扭转角度等。现在所制备的高强度、高韧性、高导电单壁碳纳米管纤维通常的导电性和韧性未能达到实际生产需求，力学性能有待提高。
发明内容
本发明提出一种高强度、高韧性、高导电单壁碳纳米管纤维，解决了现有技术中单壁碳纳米管纤维的力学性能、导电性和韧性差的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种高强度、高韧性、高导电单壁碳纳米管纤维的制备方法，是按照下述方式进行的：
S01、采用化学气相沉积法制备单壁碳纳米管薄膜；
S02、将上述制备的单壁碳纳米管薄膜加上负重后，通过旋转纺织成单壁碳纳米管纤维；
S03、利用轧辊机将上述单壁碳纳米管纤维压扁形成致密化的纤维。
所述化学气相沉积法是按照下述方式进行的：采用恒定温区的箱式炉，利用氢氩混合气作为催化气体，利用二甲苯作为碳源，利用二茂铁和单质硫做为催化剂，设置反应温度为1150-1250℃，将二甲苯、二茂铁、硫和水的混合液注入箱式炉，沿着载气流动的方向，生长得到单壁碳纳米管薄膜。
单壁碳纳米管薄膜上所加载的负重为50～200g。
S03中单壁碳纳米管纤维上的碾压力为70～120MPa。
本发明采用化学气相沉积法制备出单壁碳纳米管薄膜，得到的单壁碳纳米管薄膜具有较高的力学强度和很好的导电性、导热性。再利用旋转纺织的方法，将单壁碳纳米管薄膜纺织成纤维，并利用机械碾压法，极大提高单壁碳纳米管纤维的致密度，增加单壁碳纳米管间的相互接触，提高了碳纳米管纤维的力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明制备方法示意图。
图2本发明得到的高强纤维的扫描电镜图片。
图3是实施例9～14所制备样品的性能比对。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种高强度、高韧性、高导电单壁碳纳米管纤维的制备方法，是按照下述方式进行的：
S01、采用化学气相沉积法制备单壁碳纳米管薄膜；
S02、将上述制备的单壁碳纳米管薄膜加上负重后，通过旋转纺织成单壁碳纳米管纤维；具体如下：单壁碳纳米管薄膜进行水平固定，其一头固定在马达上，另一头固定在重量的砝码上，启动马达，使其带动碳纳米管薄膜旋转并纺织成圆柱形的单壁碳纳米管纤维。
S03、利用轧辊机将上述单壁碳纳米管纤维压扁形成致密化的纤维。其具体过程如下：将单壁碳纳米管纤维夹在金属片中间，送入轧辊机中进行碾压，使得其横截面从圆柱形碾压为长方形，制备成条带状、致密化的单壁碳纳米管纤维。
本发明首先采用化学气相沉积法制备出单壁碳纳米管薄膜，沿着载气流动的方向，单壁碳纳米管长度可以达到几十厘米，管束与管束交织成网状，它们之间作用力很强，所以由其形成的单壁碳纳米管薄膜具有较高的力学强度，同时这种单壁碳纳米管薄膜也具有很好的导电性和导热性。本发明充分利用了单壁碳纳米管薄膜的高力学性能、高导电性能，再利用旋转纺织的方法，将单壁碳纳米管薄膜纺织成纤维，并利用机械碾压法，极大提高了单壁碳纳米管纤维的致密度，增加单壁碳纳米管间的相互接触。这种方法首先降低了单壁碳纳米管间的接触电阻，提高纤维的导电性，其次，这种单壁碳纳米管间的接触增加，会提高单壁碳纳米管间的摩擦力，阻碍单壁碳纳米管间的相对运动，从而提高碳纳米管纤维的力学性能。
其中，所述化学气相沉积法是按照下述方式进行的：将二甲苯、二茂铁、硫和水的混合液注入箱式炉，沿着载气流动的方向，生长得到单壁碳纳米管薄膜。通过调节生长条件和生长时间，可以制备出不同厚度的碳纳米管薄膜，这种网状的薄膜在拉伸的时候提供了大的拉伸应变的性能。
单壁碳纳米管薄膜上所加载的负重为50～200g。利用马达进行旋转纺织，纺织过程中所加载的负重不同，制备得到的碳纳米管纤维的致密化程度不同。
S03中单壁碳纳米管纤维上的碾压力为70～120MPa。
以下结合实施例详细说明本发明。
实施例1-5用于说明碳纳米管纤维条带的制备过程以及高的力学和电学性能。
实施例1
不同单壁碳纳米管薄膜的CVD制备方法：采用恒定温区长度在200mm的箱式炉，利用氢氩混合气(90％氩气，10％氢气)作为催化气体，利用二甲苯作为碳源(100ml)，利用二茂铁(25-30g)和单质硫(0.5-1g)做为催化剂，设置反应温度为1150-1250℃，控制生长时间为1h，能制备厚度为1mm均匀的单壁碳纳米管薄膜。通过改变生长时间，可以改变单壁碳纳米管薄膜的厚度。
实施例2
将实施例1中得到的厚度为1mm的单壁碳纳米管薄膜进行水平固定，其一头固定在电动马达上，另一头固定在重量为50g的砝码上，启动电动马达，电动马达带动单壁碳纳米管薄膜旋转并纺织成圆柱形纤维，得到单壁碳纳米管纤维直径为200μm左右。
实施例3
将实施例1中得到的厚度为1mm的单壁碳纳米管薄膜进行水平固定，其一头固定在电动马达上，另一头固定在重量为100g的砝码上，启动电动马达，电动马达带动单壁碳纳米管薄膜旋转并纺织成圆柱形纤维，得到单壁碳纳米管纤维直径为190μm左右。
实施例4
将实施例1中得到的厚度为1mm的单壁碳纳米管薄膜进行水平固定，其一头固定在电动马达上，另一头固定在重量为200g的砝码上，启动电动马达，电动马达带动单壁碳纳米管薄膜旋转并纺织成圆柱形纤维，得到单壁碳纳米管纤维直径为180μm左右。
实施例5
将实例2中制得的直径为200μm的单壁碳纳米管纤维夹在金属片中间，送入辊间压力为70MPa的轧辊机中进行碾压，使得其横截面从圆柱形碾压为长方形，制备成宽度在220μm左右，厚度在50μm左右的致密化的单壁碳纳米管纤维。
实施例6
将实例2中制得的直径为200μm的单壁碳纳米管纤维夹在金属片中间，送入辊间压力为90MPa的轧辊机中进行碾压，使得其横截面从圆柱形碾压为长方形，制备成宽度在225μm左右，厚度在40μm左右的致密化的单壁碳纳米管纤维。
实施例7
将实例2中制得的直径为200μm的单壁碳纳米管纤维夹在金属片中间，送入辊间压力为120MPa的轧辊机中进行碾压，使得其横截面从圆柱形碾压为长方形，制备成宽度在245μm左右，厚度在25μm左右的致密化的单壁碳纳米管纤维。
实施例8
截取上述实例7中一定长度的纤维，采用四点法测试其电阻R，用直尺测量所测电阻两端点间的条带的长度L，如图2所示，利用扫描电镜精确测试纤维的厚度和宽度，从而计算纤维的横截面积S，利用公式k＝1/ρ＝L/RS计算出纤维的电导率为29543S/cm，其中，ρ是电阻率。
截取上述实例7中长度为2cm的纤维，将其两端分别固定在拉伸机夹具的固定夹具和移动夹具上，夹具间露出的碳纳米管条带的长度为1cm，设置拉伸机的拉伸速度为0.5mm/min，并同步记录纤维的伸长量和所产生的应力，直至断裂。利用扫描电镜测试纤维的宽度和厚度，计算得到纤维的强度为10GPa、韧度为140J/g。
实施例9-14
分别对实例2、3的样品进行不同压力的碾压，测试其抗拉强度、韧度以及电导率。
从表1和图3可以看出，单壁碳纳米管薄膜经过纺织和碾压后，可以得到高强度、高韧性以及高导电的增强纤维。且纤维直径一定的前提下，碾压压力越大，其抗拉强度、电导率和韧性越好，而在碾压压力一定的前提下，纤维直径越小，其抗拉强度、电导率和韧性越好。
表1
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种高强度、高韧性、高导电单壁碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于是按照下述方式进行的：
S01、采用化学气相沉积法制备单壁碳纳米管薄膜；
S02、将上述制备的单壁碳纳米管薄膜加上负重后，通过旋转纺织成单壁碳纳米管纤维，单壁碳纳米管薄膜上所加载的负重为50～200g，具体如下：单壁碳纳米管薄膜进行水平固定，其一头固定在马达上，另一头固定在重量的砝码上，启动马达，使其带动碳纳米管薄膜旋转并纺织成圆柱形的单壁碳纳米管纤维；
S03、利用轧辊机将上述单壁碳纳米管纤维压扁形成致密化的纤维，具体过程如下：将单壁碳纳米管纤维夹在金属片中间，送入轧辊机中进行碾压，使得其横截面从圆柱形碾压为长方形，制备成条带状、致密化的单壁碳纳米管纤维，单壁碳纳米管纤维上的碾压力为70～120MPa。
2.根据权利要求1所述的高强度、高韧性、高导电单壁碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于所述化学气相沉积法是按照下述方式进行的：采用恒定温区的箱式炉，利用氢氩混合气作为催化气体，利用二甲苯作为碳源，利用二茂铁和单质硫做为催化剂，设置反应温度为1150-1250℃，将二甲苯、二茂铁、硫和水的混合液注入箱式炉，沿着载气流动的方向，生长得到单壁碳纳米管薄膜。
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