碳纳米管纤维复合包芯纱及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管纤维复合包芯纱及其制备方法与应用。所述制备方法包括：提供碳纳米管含水原纱与聚合物纤维；采用圆孔集束技术将碳纳米管含水原纱完全包覆于聚合物纤维的表面，形成碳纳米管纤维复合包芯纱；以及，对成型后的所述包芯纱进行上浆和烘干处理。所述碳纳米管含水原纱可以由浮动催化法制备而成。所述碳纳米管纤维复合包芯纱包括：作为加强芯的聚合物纤维，以及，完全包覆加强芯的皮层，所述皮层包括碳纳米管含水原纱。本发明专利技术采用拉丝模孔直接集束法将碳纳米管含水原纱和聚合物纤维集束形成包芯纱，不涉及加捻运动，制备方法简单，制备效率高，可达30m/min以上，能耗低，可以进行工业化生产，并实现大批量连续稳定制备。

Carbon nanotube fiber core spun yarn and its preparation and Application

The invention discloses a carbon nanotube fiber composite core spun yarn and a preparation method and application thereof. The preparation method includes: providing the carbon nanotube water-bearing yarn and the polymer fiber; completely covering the surface of the polymer fiber with the carbon nanotube water-bearing yarn by the circular hole clustering technology, forming the carbon nanotube fiber composite core-spun yarn; and sizing and drying the formed core-spun yarn. The carbon nanotube aqueous raw yarn can be prepared by floating catalytic method. The carbon nanotube fiber composite core-spun yarn comprises a polymer fiber as a reinforcing core and a cortex completely covered with the reinforcing core, the cortex including the carbon nanotube hydrous yarn. The core-spun yarn is formed by the direct cluster method of drawing die holes to form the water-bearing carbon nanotube yarn and the polymer fiber into a core-spun yarn without twisting. The preparation method is simple, the preparation efficiency is high, the energy consumption is low, and the industrial production can be carried out, and the large-scale continuous and stable preparation can be realized.

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管纤维复合包芯纱及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种碳纳米管纤维复合包芯纱，特别涉及一种碳纳米管纤维复合包芯纱及其制备方法与应用，属于纳米复合材料

技术介绍
2002年清华大学范守善团队发现可纺丝碳纳米管阵列，2004年美国德克萨斯大学Ray.Baughman团队将其制成碳纳米管纤维(参见文献Science,2004.306(5700)，1358-1361)，同时英国剑桥大学的Alan.windle团队也采用浮动催化法得到了碳纳米管纤维(参见文献Science,2004.304(5668)，276-278)，从此开辟了碳纳米管纤维的时代。随后的十几年里，业界研究人员对碳纳米管纤维进行了大量的基础性能研究，内容涵盖了力学、电学、热学等基础性能研究，以及超级电容器、太阳能电池、传感器等应用性能研究。虽然碳纳米管纤维基础研究方面取得了显著进展，但通常情况下碳纳米管纤维是以单根纤维的形式存在的，载荷承受能力偏低，难以进行后加工和批量制备，限制了其在工程上的应用，因此，急需开发一种可以同时具有高力学性能和其它功能特性的新型碳纳米管纤维结构。例如，CN103320881A公开了一种以碳纳米管纤维为芯线，导电聚合物为皮层组成的皮芯层结构复合纤维，该复合纤维直径略大于10微米，具有一定的导电性，但是该复合纤维中导电聚合物的加入不仅无助于提高碳纳米管纤维的整体导电性，反而掩盖了碳纳米管纤维的性能，例如使得复合纤维的拉伸强度较之碳纳米管纤维有所下降。又如，CN102372252A公开了一种碳纳米管复合线及其制备方法，其中通过加捻的方式将阵列法拉出的碳纳米管薄膜缠绕到芯线的表面，成型后形成的纱线具有一定的捻角。而在很多应用中捻角的存在不利于材料性能的发挥，在很多情况下会影响纱线或下游材料的性能；同时，加捻过程的引入增加了工艺的复杂性，提高了能耗，也不利于提高整体的制备效率。综述之，前述的现有技术虽然在碳纳米管复合纤维制备方面具有一定的进步，但仍然存在加工和性能上的一些问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种碳纳米管纤维复合包芯纱及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种碳纳米管纤维复合包芯纱的制备方法，其包括：提供碳纳米管含水原纱与聚合物纤维；采用圆孔集束技术将所述碳纳米管含水原纱完全包覆于聚合物纤维的表面，形成所述碳纳米管纤维复合包芯纱。作为优选方案之一，所述碳纳米管含水原纱由浮动催化法制备而成。优选的，所述碳纳米管含水原纱包括碳纳米管网络取向结构，尤其优选的，所述碳纳米管含水原纱呈条带状。优选的，所述碳纳米管含水原纱和聚合物纤维均沿所述碳纳米管复合包芯纱的轴向取向排列。优选的，所述聚合物纤维包括超高分子量聚乙烯纤维束和/或凯夫拉纤维束。本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的碳纳米管纤维复合包芯纱，其包括：作为加强芯的聚合物纤维，以及，完全包覆所述加强芯的皮层，所述皮层包括碳纳米管含水原纱。本专利技术实施例还提供了前述的碳纳米管纤维复合包芯纱于制备复合材料、柔性可穿戴电子织物、防弹防刺物品中的用途。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：1.本专利技术提供的碳纳米管纤维复合包芯纱的制备方法针对浮动催化法得到的碳纳米管纤维含水原纱的特点，通过圆孔集束技术，实现碳纳米管纤维对聚合物纤维的完全包覆，将碳纳米管纤维和聚合物纤维集束形成包芯纱，并对成型后的包芯纱进行上浆和烘干处理，以避免纱线相互之间的粘连。本专利技术中不涉及加捻运动，可大大提高纱线的制备效率，同时降低能耗，是一种可以实现产业化的碳纳米管纤维复合包芯纱制备技术；2.本专利技术提供的碳纳米管纤维复合包芯纱的制备方法简单，制备效率高，可达30m/min以上，可以进行工业化生产，实现大批量连续稳定制备，也可以进行后续的混纺、织造等，在复合材料、柔性可穿戴织物、防弹防刺等方面有明显应用优势；3.本专利技术提供的碳纳米管纤维复合包芯纱同时具有较高的力学拉伸性能和碳纳米管的导电性。附图说明图1为本专利技术一典型实施案例中的碳纳米管纤维复合包芯纱的制备方法的流程示意图；图2为本专利技术一典型实施案例中的碳纳米管纤维复合包芯纱的成型示意图；图3a为本专利技术一典型实施案例中一种碳纳米管纤维复合包芯纱的径向截面示意图；图3b为本专利技术一典型实施案例制备的碳纳米管纤维复合包芯纱的径向截面的电镜图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，主要为针对浮动催化法制备的碳纳米管含水原纱的特点，通过圆孔集束技术，实现碳纳米管含水原纱对芯线的完全包覆，并对成型后的包芯纱进行上浆和烘干处理，以避免纱线相互之间的粘连。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术实施例的一个方面提供了一种碳纳米管纤维复合包芯纱的制备方法，其包括：提供碳纳米管含水原纱与聚合物纤维；采用圆孔集束技术将所述碳纳米管含水原纱完全包覆于聚合物纤维的表面，形成所述碳纳米管纤维复合包芯纱。本专利技术对于碳纳米管含水原纱与聚合物纤维的直径和长度没有限制。而且，聚合物纤维可以是单丝也可以是纤维束，碳纳米管含水原纱可以是一根也可以是多根。优选的，所述碳纳米管含水原纱中所含的碳纳米管与水充分浸润，其中水的质量是碳纳米管质量的70～200倍。本专利技术的碳纳米管含水原纱由于含有大量水，是一种未定型结构，可以通过集束定型，定型后水分去除可得到稳定的集束结构；而不含水的纱线已经形成了稳定的结构，无法进行二次定型，即使进行二次定型，定型效果也不稳定。作为优选方案之一，所述碳纳米管含水原纱由浮动催化法制备而成。优选的，所述碳纳米管含水原纱包括沿形成的碳纳米管网络的轴向设置的取向结构。尤其优选的，所述碳纳米管含水原纱呈条带状，且制备效率较高。优选的，所述碳纳米管含水原纱和聚合物纤维均是沿所述碳纳米管复合包芯纱的轴向取向排列的，如此可以避免碳纳米管和芯线与纱线轴向之间存在角度而对纱线或下游材料的性能所产生的不利影响。优选的，作为加强芯的聚合物纤维为高性能的聚合物纤维，例如超高分子量聚乙烯UHMWPE纤维束、凯夫拉kevlar纤维束等等，且不限于此。作为优选方案之一，所述碳纳米管含水原纱以纵包的形式完全包覆于聚合物纤维的表面。即条带状的碳纳米管含水原纱(一根或几根)的宽度大于聚合物纤维或纤维束周长和集束孔周长，在集束时条带状的碳纳米管含水原纱对内层加强芯进行包裹。作为优选方案之一，所述制备方法包括：采用拉丝模模孔集束的方式将所述碳纳米管含水原纱完全包覆于聚合物纤维的表面，形成所述碳纳米管纤维复合包芯纱。如此可以避免通过加捻方式将碳纳米管薄膜缠绕在芯线表面而导致的复合纤维的性能缺陷。本专利技术仅提供了拉丝模模孔集束方式，还有其它尺寸相当、硬度满足要求的孔均可以用来集束形成碳纳米管纤维复合包芯纱。进一步的，本专利技术采用的拉丝模模孔集束方式具体包括：采用具有设定孔径的拉丝模，将所述碳纳米管含水原纱和聚合物纤维同时穿过拉丝模的模孔，之后从模孔中拉出，使得所述碳纳米管含水原纱完全包覆于聚合物纤维的表面，形成所述碳纳米管纤维复合包芯纱，拉出速度以包芯纱可以顺畅拉出为准。优选的，在将所述碳纳米管含水原纱和聚合物纤维穿过拉丝模的模孔时，所述碳纳米管含水原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管纤维复合包芯纱的制备方法，其特征在于包括：提供碳纳米管含水原纱与聚合物纤维；采用圆孔集束技术将所述碳纳米管含水原纱完全包覆于聚合物纤维的表面，形成所述碳纳米管纤维复合包芯纱。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管纤维复合包芯纱的制备方法，其特征在于包括：提供碳纳米管含水原纱与聚合物纤维；采用圆孔集束技术将所述碳纳米管含水原纱完全包覆于聚合物纤维的表面，形成所述碳纳米管纤维复合包芯纱。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管含水原纱由浮动催化法制备而成；和/或，所述碳纳米管含水原纱中所含水的质量为碳纳米管质量的70～200倍。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管含水原纱包括沿形成的碳纳米管网络的轴向设置的取向结构；优选的，所述碳纳米管含水原纱呈条带状。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚合物纤维包括超高分子量聚乙烯纤维束和/或凯夫拉纤维束。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管含水原纱以纵包的形式完全包覆于聚合物纤维的表面。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管含水原纱和聚合物纤维均沿所述碳纳米管复合包芯纱的轴向取向排列。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：采用拉丝模模孔集束的方式将所述碳纳米管含水原纱完全包覆于聚合物纤维的表面，形成所述碳纳米管纤维复合包芯纱。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于包括：采用具有设定孔径的拉丝模，将所述碳纳米管含水原纱和聚合物纤维同时穿过拉丝模的模孔，之后从模孔中拉出，使得所述碳纳米管含水原纱完全包覆于聚合物纤维的表面，形成所述碳纳米管纤维复合包芯纱。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：在将所述碳纳米管含水原纱和聚合物纤维穿过拉丝模的模孔时，所述碳纳米管含水原纱设置于聚合物纤维的外层。10.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵静娜，李清文，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32