一种柔性高导电复合碳纤维布的制备方法技术

本发明专利技术涉及碳复合材料领域，特别是一种柔性高导电复合结构碳纤维布的制备方法。以纯天然纤维素棉布为前驱体，通过浸渍法将碳纳米管和/或石墨烯与前驱体均匀复合后，在保护性气氛下通过高温热处理使织物纤维碳化，并使碳纤维界面与复合的碳纳米管或石墨烯产生较强的结合力。在碳化的过程中，碳纤维与碳纳米管和/或石墨烯之间形成较强的键合，形成同轴碳纤维布复合结构。本发明专利技术利用不同的处理温度、处理时间及纳米碳复合量来调控复合材料的结构和性能，该柔性碳纤维布复合结构解决普通碳材料不能兼具柔性、高比表面积和高导电性的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳复合材料领域，特别是一种柔性高导电复合结构碳纤维布的制备方 法。
技术介绍
碳纤维因其优异的力学性能、良好的化学稳定性以及轻质高强等特点自问世以来 备受青睐，其作为复合材料增强体已在汽车、航空航天、军工国防等领域获得了广泛应用。 由不同前驱体制备得到的碳纤维的力学、电学性能存在显著差异，由碳纤维编织成的二维 导电网络在诸多方面都有潜在应用。碳纳米管、石墨烯是近年来被发现的新型碳纳米材料， 因其具有独特的纳米结构，理论和实验研宄表明碳纳米管和石墨烯具有比微米级碳纤维更 优异的物理化学性能。如果将碳纳米管、石墨烯与碳纤维进行复合，可以进一步有效地降低 电阻，并且增强结构强度，而在这方面的研宄相对较少。 到目前为止，国内外对柔性碳纤维复合结构的报道主要集中在以下方面：有研宄 者将棉布碳化后用于锂硫电池，但是由于棉布是由线股纺织而成的，碳纤维之间非常密实， 导致材料的有效界面很小，限制了碳化棉布材料在复合材料中的应用。在碳纤维布复合结 构方面，目前研宄主要有以下几个方面，申请人公布了一种利用在碳纤维布上铺催化剂的方法，在高温下得到 了碳纳米管和碳纤维布的复合结构；公布了一种利用碳纤维布上修饰氧化物颗粒或者碳纳米管，并 应用于柔性电容器的方法；由于以上结构都是利用工业上制备的碳纤维布为原料，成本较 高，进一步利用催化剂再生长碳纳米管的过程比较复杂，不利于大规模生产和应用。另外， 在获得高导电性和柔性的前提下，如何控制石墨烯、碳纳米管与碳纤维之间的界面作用力 也非常关键。 因此，如何实现碳纳米管、石墨烯与碳纤维的简易可控复合，并有效增强其综合性 能（如：良好的柔性、优异的导电性、稳定性）等科学技术问题仍有待于深入探索和解决。总之，复合碳纤维的研发目标是同时实现材料具有时良好的柔性、优异的导电性、 精确的含量控制以及良好的界面结合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低成本、易工业化的柔性高导电复合结构碳纤维布的 制备方法，以满足柔性热界面材料、柔性电子器件、锂离子电池的电极支撑结构等的需求。本专利技术的技术方案是：-种柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，以纯天然纤维素棉布为前驱体，通过 浸渍法将碳纳米管和/或石墨烯与前驱体均匀复合后，进行高温处理使主体纤维素碳化， 具体步骤如下： (1)以纯天然纤维素棉布为前驱体，在乙醇和水的溶液中浸泡洗涤后，烘干备用； ⑵取碳纳米管和/或石墨烯分散在溶液中，配制成不同浓度的浆料； ⑶将棉布浸渍到不同浓度的浆料中，烘干后获得复合前驱体； (4)将复合前驱体在保护性气氛下升温，保护性气氛的气体流量为lOsccm~ 2000sccm，升温速率为1~50°C/min，升温至600~1200°C，在设定温度下保温1~6h，在 保护气氛下退火至室温，获得柔性碳纤维布复合结构。 所述的柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，步骤（1)中，所选取的棉布为100% 的天然纤维素或者由掺入化学纤维复合制成的棉布。 所述的柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，步骤（1)中，取棉布，分别放入酒 精、水中浸泡1~24h，以去除表面杂质，在60~100°C下烘干5~24小时。 所述的柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，步骤（2)中，碳纳米管为单壁碳纳 米管、少壁碳纳米管或多壁碳纳米管，其直径从lnm至300nm，长度从lOOnm至1000ym;石 墨稀为单层石墨稀、少数层石墨稀或多层石墨稀，尺寸由2ym至200ym。 所述的柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，步骤（2)的浆料中，包括碳纳米管 和/或石墨烯、分散碳纳米管和/或石墨烯的溶液、表面活性剂，按质量百分含量计，碳纳米 管和/或石墨烯占0.01%~10%，表面活性剂占1~10%，余量为分散碳纳米管和/或石 墨條的溶液。 所述的柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，分散碳纳米管、石墨烯的溶液为去 离子水、乙醇、乙二醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、聚乙烯醇、丙酮中的其中一种或两种以上； 表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化 铵、聚乙二醇中的一种或者两种以上。 所述的柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，保护性气氛为氩气、氦气或氮气。 所述的柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，在碳化的过程中，碳纳米管和/或 石墨烯与碳纤维之间形成键合作用，得到碳纳米管和/或石墨烯均匀包覆在碳纤维表面的 同轴复合结构；其碳纤维的直径分布范围为3~500ym，长度分布范围为0. 1~2mm。 所述的柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，碳纤维布复合结构的弯折角从0~ 180度，其导电性随着热处理温度的升高而提高，其方块电阻范围为0. 3~20KQ/ 口。 本专利技术的设计思想是： 本专利技术以纺织物为原材料，与碳纳米管、石墨烯中的一种或两种复合后，在保护性 气氛下通过高温热处理使织物纤维碳化，并使碳纤维界面与复合的碳纳米管或石墨烯产生 较强的结合力，而形成同轴复合结构。本专利技术利用不同的热处理温度、热处理时间及纳米碳 材料的复合量来调控复合材料的结构和性能，该柔性碳纤维布复合结构解决了普通碳材料 不能兼具柔性、高比表面积和高导电性的问题。 本专利技术的优点及有益效果是： 1、本专利技术采用纯天然纤维素棉布为前驱体原料，通过对热处理温度和热处理时间 的控制，可实现对碳纤维的结晶度和导电性的调控。2、本专利技术可实现碳纤维布复合结构中碳纳米管、石墨烯含量的调控。 3、本专利技术可实现碳纳米管、石墨烯与碳纤维之间良好的界面结合力。4、本专利技术可实现碳纤维布复合结构具备良好的柔性，其弯折角可实现0~180° 的改变，并且保持良好的导电性。 5、本专利技术操作简便，工艺过程易实现工业化。【附图说明】图1.浸渍不同碳纳米管质量的复合前驱体在热处理前的光学图片。其中，从左至 右，碳纳米管质量分别为：（a)0mg、（b)3.3mg、（c)6.lmg、（d)15.8mg、（e)33.3mg、（f)75mg。图2.浸渍不同石墨烯质量的复合前驱体在热处理前的光学图片。其中，从左至 右，负载石墨稀质量分别为：（a)Omg、（b) 3. 3mg、（c) 6.lmg、（d) 15. 8mg、（e) 33. 3mg、（f) 75mg。 图3.浸渍不同碳纳米管和石墨烯（质量比1:1)混合质量的复合前驱体在热处理 前的光学图片。其中，从左至右，负载碳纳米管和石墨烯的质量分别为：(a)0mg、（b)3.3mg、 (c) 6.lmg、（d) 15. 8mg、（e) 33. 3mg、（f) 75mg。 图4.碳纳米管复合前驱体经热处理后的光学照片。其中，（a)为纯碳纤维布；(b) 为lwt%碳纳米管复合碳纤维布；(c)为2wt%碳纳米管复合碳纤维布；(d)为5wt%碳纳米 管复合碳纤维布；(e)为10wt%碳纳米管复合碳纤维布；(f)为20wt%碳纳米管复合碳纤 维布。 图5.石墨烯复合前驱体经热处理后的光学照片。其中，（a)为纯碳纤维布；(b)为 lwt%石墨稀复合碳纤维布；（c)为2wt%石墨稀复合碳纤维布；（d)为5wt%石墨稀复合碳 纤维布；（e)为10wt%石墨稀复合碳纤维布；（f)为20wt%石墨稀复合碳纤维布。 图6.碳纳米管和石墨烯共复合前驱体经热处理的后光学照片。其中，（a)为纯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性高导电复合碳纤维布的制备方法，其特征在于，以纯天然纤维素棉布为前驱体，通过浸渍法将碳纳米管和/或石墨烯与前驱体均匀复合后，进行高温处理使主体纤维素碳化，具体步骤如下：(1)以纯天然纤维素棉布为前驱体，在乙醇和水的溶液中浸泡洗涤后，烘干备用；(2)取碳纳米管和/或石墨烯分散在溶液中，配制成不同浓度的浆料；(3)将棉布浸渍到不同浓度的浆料中，烘干后获得复合前驱体；(4)将复合前驱体在保护性气氛下升温，保护性气氛的气体流量为10sccm～2000sccm，升温速率为1～50℃/min，升温至600～1200℃，在设定温度下保温1～6h，在保护气氛下退火至室温，获得柔性碳纤维布复合结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，赵石永，方若翩，程敏，侯鹏翔，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21