一种柔性高导电复合碳质纤维的制备方法技术

本发明专利技术涉及柔性复合碳材料领域，特别是一种柔性高导电复合碳质纤维的制备方法。以纯棉线为前驱体，通过浸渍法将碳纳米管和/或石墨烯担载在纯棉线的细小纤维表面；在惰性气氛保护下热处理时，构成纯棉线的主体纤维素碳化，并同时与碳纳米管和/或石墨烯紧密结合，最终得到复合碳质纤维。本发明专利技术通过改变碳化处理温度和处理时间及碳纳米管或石墨烯的结构及含量等，来调控该复合纤维的结构与性能。该柔性同轴复合结构碳质纤维兼具柔性、高导电性、高担载储锂活性物质等特性，可望用于未来柔性可穿戴设备及柔性锂离子电池的电极担载材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及柔性复合碳材料领域，特别是一种柔性高导电复合碳质纤维的制备方法。
技术介绍
随着电子科技的迅速发展，柔性可穿戴器件的需求日益凸显，而绝大多数柔性器件均需要电池进行驱动。电池中的活性材料一般是粉末状，需要涂覆在导电基体上。因此，未来柔性电子器件发展的关键是如何获得高导电、柔性、轻薄、高担载量、可穿戴的电池活性材料载体。目前，关于柔性电极基体，特别是一维柔性电极基体方面的研究很少，限制了柔性电池及柔性电子器件的发展。由于碳质纤维特有的柔性、轻质、高强、高导电特性，其被认为是理想的一维柔性电极基体材料，目前的主要问题是如何提高其担载量。为了提高碳质纤维的担载量，将其与高比表面积的碳纳米管或石墨烯复合是一种有效方法。然而，国内外对一维柔性碳纤维复合结构的研究报道很少。Zhang等先将纤维素溶解，再把多壁碳纳米管分散到纤维素溶液中，最后通过抽丝得到复合纤维[文献1,ZhangH,WangZG,ZhangZN,WuJ,ZhangJ,HeJS.Adv.Mater.19,698–704(2007)]。该方法得到的纤维因为纤维素不导电，所以复合纤维结构的导电性较差。有研究者将石墨烯与碳纤维前驱体溶液进行复合，在高温固化过程中形成石墨烯片掺杂的碳纤维结构[专利1，一种掺杂石墨烯的中间相沥青基碳纤维，公开号CN103320901A]。这种结构的石墨烯片仅仅在碳纤维内部进行搭接，不能够起到修饰碳纤维表面增加碳纤维比表面积的作用，限制了其在电极方面的应用。另外，也有研究者将纤维素与尿素、氰胺等进行复合，然后在高温下进行处理，此时尿素、氰胺会释放大量的氨气对碳化中的纤维进行刻蚀并导致部分纤维表面剥离，进而生成石墨烯片包覆的碳纤维同轴复合结构[专利2，一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，CN103949237A]。该方法在高温处理过程中，释放的氨气在刻蚀碳纤维形成石墨烯片的同时中会同时引入缺陷，大幅降低纤维的导电性，并且仅通过尿素等低温分解的含氮物质来对纤维表面进行修饰，不能很好地实现石墨烯含量的控制。因此，如何实现碳纳米管、石墨烯与碳质纤维的均质、可控量复合仍是亟待解决的关键问题。另外，在获得高导电性和柔性的前提下，如何提高石墨烯、碳纳米管与碳质纤维之间的界面结合力，有效提高其稳定性仍有待探索。总之，复合碳质纤维的的研发目标是同时实现材料具有良好的柔性、优异的导电性、精确的含量控制、高结构均一性及良好的界面结合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低成本、易工业化柔性的高导电复合碳质纤维的制备方法，以满足柔性可穿戴设备、不同形状、结构锂离子电池的电极材料以及支撑结构需求。本专利技术的技术方案是：一种柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，以纯棉线为前驱体，通过浸渍法将碳纳米管和/或石墨烯担载在纯棉线的细小纤维表面；在惰性气氛保护下热处理时，构成纯棉线的主体纤维素碳化，并同时与碳纳米管和/或石墨烯紧密结合，最终得到复合碳质纤维，具体步骤如下：(1)取纯棉线为原材料，在含乙醇的水溶液中浸泡1～24小时，去除表面杂质，在60～100℃下烘干5～24小时；(2)将碳纳米管和/或石墨烯分散在溶剂中，配成不同浓度的浆料；(3)将纯棉线浸渍到不同浓度的浆料中，吸附碳纳米管/石墨烯，取出烘干，获得复合纤维前驱体；(4)将该前驱体在惰性气氛下热处理。所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，所选取的纯棉线为100wt％的天然纤维素棉线或者化学纤维复合的棉线；纯棉线是由直径为50微米至5毫米的纤维丝纺织而成，长度为1毫米以上。所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，碳纳米管和/或石墨烯的重量百分含量在0.01％～80％范围内可控，优选为20～50％。所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，纳米管为单壁碳纳米管、少壁碳纳米管或多壁碳纳米管，碳纳米管的直径范围为1纳米～100纳米，长度范围为1微米～300微米；石墨烯为单层石墨烯、少数层石墨烯或多层石墨烯，石墨烯尺寸分布为2微米至200微米。所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，热处理温度范围为600～1200℃，惰性气氛为氩气、氦气或氮气，热处理过程不破坏碳纳米管和石墨烯的本征结构。所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，碳质纤维复合结构的电导率随着热处理的温度升高而升高，由绝缘体至优良导体进行调控，电导率范围为100Ω/cm～15KΩ/cm。所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，分散碳纳米管和/或石墨烯的溶剂为去离子水、乙醇、乙二醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、聚乙烯醇(PVA)、丙酮中的一种或两种以上；配制浆料时加入表面活性剂，表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙二醇中的一种或两种以上；浆料中，表面活性剂的质量分数为0.01～10％的表面活性剂，优选为0.05～5％。所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，浆料浓度为1mg/ml～100mg/ml，优选为10～50mg/ml。所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，碳质纤维保持原有纯棉线的柔性和强度，在0度到180度之间无限次弯折和缠绕。所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，碳化后的纯棉线与石墨烯、碳纳米管间结合力较强，具有高担载储锂活性物质的特性，担载量最高达到1毫克每厘米。本专利技术的设计思想是：本专利技术以长纤维素材质的纯棉线为原材料，将其与碳纳米管、石墨烯中的一种或两种复合后，在惰性气氛下高温热处理使纤维碳化，并同时使碳纤维与复合的碳纳米管或石墨烯间产生较强的界面结合力，构成复合纤维结构。本专利技术通过改变碳化处理温度和处理时间及碳纳米管或石墨烯的结构及含量等来调控该复合纤维的结构与性能。利用碳纳米管、石墨烯的化学稳定性、高比表面积、柔性及优异的电学特性，将其担载在棉线的纤维素体上，通过高温热处理使纤维素碳化并同时与担载的碳纳米管、石墨烯紧密结合，最终获得高导电、高柔性的复合结构碳质纤维，可用于柔性高性能锂电池电极，为柔性电子器件的构建奠定材料基础。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线为前驱体，先将高导电、高比表面积、轻质、柔性的碳纳米管和/或石墨烯担载在前驱体棉线的纤维丝上，在高温、惰性气氛下碳化纤维素的同时，实现与碳纳米管和石墨烯的紧密结合，实现高导电、高柔性、复合结构碳质纤维的制备。2、本专利技术方法可实现碳纳米管、石墨烯复合量的调控。3、本专利技术方法操作简单，工艺过程环境友好、易工业化。4、本专利技术方法所制备的柔性高导电复合碳质纤维具有高担载储锂活性物的特性。5、本专利技术柔性同轴复合结构碳质纤维兼具柔性、高导电性、高担载储锂活性物质等特性，可望用于未来柔性可穿戴设备及柔性锂离子电池的电极担载材料。附图说明图1为纯棉线热处理前以及在不同温度下热处理后的光学照片。图2为碳纳米管复合碳质纤维的光学照片；从左至右，碳纳米管重量百分比分别为5％、10％、15％、20％、25％、30％和40％。图3为石墨烯复合碳质纤维的光学照片；从左至右，石墨烯的重量百分比分别为5％、10％、15％、20％、25％、30％和40％。图4为石墨烯和碳纳米管复合碳质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，其特征在于，以纯棉线为前驱体，通过浸渍法将碳纳米管和/或石墨烯担载在纯棉线的细小纤维表面；在惰性气氛保护下热处理时，构成纯棉线的主体纤维素碳化，并同时与碳纳米管和/或石墨烯紧密结合，最终得到复合碳质纤维，具体步骤如下：(1)取纯棉线为原材料，在含乙醇的水溶液中浸泡1～24小时，去除表面杂质，在60～100℃下烘干5～24小时；(2)将碳纳米管和/或石墨烯分散在溶剂中，配成不同浓度的浆料；(3)将纯棉线浸渍到不同浓度的浆料中，吸附碳纳米管/石墨烯，取出烘干，获得复合纤维前驱体；(4)将该前驱体在惰性气氛下热处理。

【技术特征摘要】
1.一种柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，其特征在于，以纯棉线为前驱体，通过浸渍法将碳纳米管和/或石墨烯担载在纯棉线的细小纤维表面；在惰性气氛保护下热处理时，构成纯棉线的主体纤维素碳化，并同时与碳纳米管和/或石墨烯紧密结合，最终得到复合碳质纤维，具体步骤如下：(1)取纯棉线为原材料，在含乙醇的水溶液中浸泡1～24小时，去除表面杂质，在60～100℃下烘干5～24小时；(2)将碳纳米管和/或石墨烯分散在溶剂中，配成不同浓度的浆料；(3)将纯棉线浸渍到不同浓度的浆料中，吸附碳纳米管/石墨烯，取出烘干，获得复合纤维前驱体；(4)将该前驱体在惰性气氛下热处理。2.按照权利要求1所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，其特征在于，所选取的纯棉线为100wt％的天然纤维素棉线或者化学纤维复合的棉线；纯棉线是由直径为50微米至5毫米的纤维丝纺织而成，长度为1毫米以上。3.按照权利要求1所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，其特征在于，碳纳米管和/或石墨烯的重量百分含量在0.01％～80％范围内可控。4.按照权利要求1所述的柔性高导电复合碳质纤维的制备方法，其特征在于，碳纳米管为单壁碳纳米管、少壁碳纳米管或多壁碳纳米管，碳纳米管的直径范围为1纳米～100纳米，长度范围为1微米～300微米；石墨烯为单层石墨烯、少数层石墨烯或多层石墨烯，石墨烯尺寸分布为2微米至200微米。5.按照权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯鹏翔，赵石永，刘畅，方若翩，程敏，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