高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法技术

本发明专利技术涉及高性能碳纳米管纤维制备领域，具体为一种具有高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法。以高质量、高长径比的单壁碳纳米管为原料，获得单壁碳纳米管液晶溶液。在纺丝过程中，对预成型单壁碳纳米管纤维施加速度可控的剪切力，使纤维中的碳纳米管高度定向及致密化，从而提高纤维性能。本发明专利技术通过使用窄直径、大长径比针尖毛细管，结合挤出速率调控，对挤出的单壁碳纳米管液晶溶液施加剪切力，使单壁碳纳米管高度取向并致密化，实现大幅提升单壁碳纳米管纤维的导电性与强度。

【技术实现步骤摘要】
高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法
本专利技术涉及高性能碳纳米管纤维制备领域，具体为一种具有高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法。
技术介绍
碳纳米管纤维具有质轻、导电性好、弹道输运、集肤效应小等特点，是理想的轻质导线候选材料，有望应用于快速发展的军工国防、航空航天、电力电子等领域。但迄今为止，单壁碳纳米管纤维的规模化应用尚未起步，究其原因主要是高强、高导电单壁碳纳米管纤维的可控、规模化制备技术尚未突破。碳纳米管的径向尺寸为纳米级别，而碳管纤维的径向尺寸为微米级别，如何发展或改进目前碳纳米管制备技术，获得具有优异性能的碳纳米管纤维是实现其商业化应用的关键。目前制备碳纳米管纤维的方法主要有三种：溶液纺丝法、阵列抽丝法和浮动催化剂化学气相沉积直接纺丝法(文献1：JiangK,LiQ,FanS.Nature.2002,419(6909),801；文献2：WangJN,LuoXG,WuT,ChenY.NatCommun,2014,5:3848；文献3：VigoloB,PenicaudA,CoulonC,Sauder,C.,Pailler,R.,Journet,C,BernierB,PoulinB.Science.2000,290(5495),1331-1334)。在这三种方法中，溶液纺丝法制备的碳纳米管纤维具有导电性高、致密度高、可连续化等优势(文献4：BucossiAR,CressCD,SchauermanCM,etal.ACSApplMaterInterfaces,2015,7(49):27299-27305.)，且其工艺过程可借鉴目前已经成熟的聚合物熔融纺丝和湿法纺丝，因而该方法是最具潜力的将纳米级碳管集结成宏观体纤维的纺丝技术。目前湿法纺丝制备的单壁碳纳米管纤维的强度和电导率均远远低于单根单壁碳纳米管的性能(文献4：BucossiAR,CressCD,SchauermanCM,etal.ACSApplMaterInterfaces,2015,7(49):27299-27305.)，其原因有以下几个方面：1)所使用单壁碳纳米管原材料一般为HiPCo方法制备的小直径(1.3～1.9nm)、长度较短(小于10μm)的碳管，导致纤维中碳纳米管连接节点的密度大，引入更多的接触电阻，降低了碳纳米管的电导率和拉伸强度。2)碳纳米管纤维内部致密度不高、结构疏松，未填充碳纳米管的孔隙占据体积的同时却不贡献电子传输通道，降低了碳纳米管纤维的电导率和强度。3)碳纳米管之间的结合强度远低于单根碳纳米管的理论强度。发生断裂时往往是由于碳纳米管间的界面脱粘而不是单根碳纳米管的断裂。因而，改善碳纳米管纤维电导率与强度的关键是提升纤维中碳纳米管的取向性、致密度，同时减少接触点的密度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，该方法以大直径、高纯度、超长单壁碳纳米管为原材料配制单壁碳纳米管液晶溶液，通过对针尖毛细管内单壁碳纳米管施加较高的剪切力来提高纤维中碳管的取向性和致密度，进而制备出高强、高导电单壁碳纳米管纤维。本专利技术的技术方案是：一种高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，选用窄直径、大长径比针尖毛细管，结合纤维挤出速率调控，对针尖毛细管内的单壁碳纳米管溶液施加可调的剪切力，使单壁碳纳米管在针尖毛细管中高度取向并致密化，经凝固浴溶胶化和空气中干燥收缩，获得高性能单壁碳纳米管纤维；通过调控针尖毛细管内径、针尖毛细管长径比、挤出速率来调控对针尖毛细管内单壁碳纳米管液晶溶液施加剪切力的大小；针尖毛细管内径为0.15～0.40mm，长度为40～80mm，挤出速率为0.05ml/min～0.2ml/min。所述的高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，单壁碳纳米管溶液需配制成高浓度、定向性液晶溶液，单壁碳纳米管液晶溶液浓度为1.0wt～2.0wt％，液晶溶液中的单壁碳纳米管长度分布在5～40μm之间，其中单壁碳纳米管总根数的85％分布在10～35μm之间。所述的高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，所用碳纳米管为浮动催化剂化学气相沉积法生长的大直径、高质量、高纯度、长单壁碳纳米管，碳管直径分布在1.8～2.3nm，集中抗氧化温度>750℃，金属催化剂杂质含量<5wt％，碳管长度大于100μm。所述的高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，湿法纺丝的凝固浴为丙酮或乙腈。所述的高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，单壁碳纳米管纤维的电导率为4×106～9×106S/m，拉伸强度为3～5GPa，直径为10～25μm。本专利技术的设计思想是：本专利技术使用浮动催化剂化学气相沉积法制备的高质量、高纯度、大直径、超长单壁碳纳米管为原材料，使得单壁碳纳米管纤维在单位体积内管间接触点数目降低，从而降低宏观纤维内的管间接触电阻。通过配制高浓度单壁碳纳米管液晶溶液，并选用窄直径、大长径比针尖毛细管，结合纤维挤出速率控制对单壁碳纳米管液晶溶液施加剪切力，提升挤出纤维中单壁碳纳米管的取向性和排列密度，形成沿纤维轴向高密度排列的单壁碳纳米管纤维，提升纤维的电导率与强度。本专利技术的优点及有益效果是：1、本专利技术使用高质量、高纯度、大直径、超长单壁碳纳米管为原材料制备单壁碳纳米管纤维，减小了单位体积中单壁碳纳米管之间接触点的数量，降低了接触电阻对碳纳米管宏观体性能的影响，提升了单壁碳纳米管纤维的电导率。2、本专利技术使用窄直径、大长径比针尖毛细管进行纺丝，单壁碳纳米管液晶在挤出过程中受到剪切力而沿纤维轴向排列，同时窄直径、长喷丝管有利于纤维的致密化。3、本专利技术在纤维挤出过程中增加了速度控制装置，进一步调控针尖毛细管内单壁碳纳米管的剪切力，提高纤维中碳纳米管的顺排度和致密度。4、本专利技术制备的单壁碳纳米管纤维兼具高电导率和高强度，电导率高达5×106～9×106S/m，达到本领域内电导率最高水平，拉伸强度高达3～4GPa。5、本专利技术开发的制备高强、高导电单壁碳纳米管纤维方法可进行连续生产，易于规模化制备，有望在高性能电缆、柔性传感器、航空航天、军工国防等领域获得重要应用。6、本专利技术通过使用窄直径、大长径比针尖毛细管，结合挤出速率调控，对挤出的单壁碳纳米管液晶溶液施加剪切力，使单壁碳纳米管高度取向并致密化，实现大幅提升单壁碳纳米管纤维的导电性与强度。附图说明图1.高强度、高导电、单壁碳纳米管纤维制备装置示意图。图中，1.速率控制装置；2.挤出装置；3.针尖毛细管；4.凝固浴；5.卷丝缠绕装置。图2.高长径比单壁碳纳米管原材料的结构表征。其中，(a)低倍TEM照片；(b)高倍TEM照片；(c)低倍SEM照片；(d)高倍SEM照片；(e)Raman光谱，图中横坐标RamanShift代表拉曼位移(cm-1)，纵坐标intensity代表相对强度(a.u.)；(f)热重曲线。图中，横坐标Tempe本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，其特征在于，选用窄直径、大长径比针尖毛细管，结合纤维挤出速率调控，对针尖毛细管内的单壁碳纳米管溶液施加可调的剪切力，使单壁碳纳米管在针尖毛细管中高度取向并致密化，经凝固浴溶胶化和空气中干燥收缩，获得高性能单壁碳纳米管纤维；/n通过调控针尖毛细管内径、针尖毛细管长径比、挤出速率来调控对针尖毛细管内单壁碳纳米管液晶溶液施加剪切力的大小；针尖毛细管内径为0.15～0.40mm，长度为40～80mm，挤出速率为0.05ml/min～0.2ml/min。/n

【技术特征摘要】
1.一种高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，其特征在于，选用窄直径、大长径比针尖毛细管，结合纤维挤出速率调控，对针尖毛细管内的单壁碳纳米管溶液施加可调的剪切力，使单壁碳纳米管在针尖毛细管中高度取向并致密化，经凝固浴溶胶化和空气中干燥收缩，获得高性能单壁碳纳米管纤维；
通过调控针尖毛细管内径、针尖毛细管长径比、挤出速率来调控对针尖毛细管内单壁碳纳米管液晶溶液施加剪切力的大小；针尖毛细管内径为0.15～0.40mm，长度为40～80mm，挤出速率为0.05ml/min～0.2ml/min。


2.按照权利要求1所述的高强度、高导电性单壁碳纳米管纤维的湿法纺丝制备方法，其特征在于，单壁碳纳米管溶液需配制成高浓度、定向性液晶溶液，单壁碳纳米管液晶溶液浓度为1.0wt～2.0wt％，液晶溶液中的单壁碳纳米管长度分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯鹏翔，焦新宇，刘畅，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