本发明专利技术涉及一种机械联锁的高性能碳化钛复合导电纤维的制备方法，属于功能纤维技术领域。具体步骤包括：(1)将碳化钛与聚轮环分散于水中，形成液晶态纺丝分散液；(2)采用湿法纺丝技术，将纺丝液连续均匀挤入凝固液，得到初生的碳化钛/聚轮环复合纤维；(3)在烘箱加热中，对初生复合纤维进行热拉伸，碳化钛纳米片取向定型；(4)复合纤维中碳化钛与聚轮环进行化学交联，在纤维内部形成机械联锁结构，得到高性能碳化钛复合导电纤维。所得碳化钛复合导电纤维具有理想的拉伸稳定性、断裂伸长率、强度、韧性以及导电性，可直接作为柔性导线或编织成纤维布，可应用于柔性电子器件、可穿戴设备、电磁防护服等。防护服等。防护服等。
【技术实现步骤摘要】
一种机械联锁的高性能碳化钛复合导电纤维的制备方法
[0001]本专利技术涉及一种通过纤维内部机械联锁结构的构建，同时具有高强度、高韧性、高伸长率、超抗疲劳性、环境稳定的高性能碳化钛复合导电纤维，属于功能纤维
，可应用于柔性电子器件、可穿戴设备、电磁防护服等。
技术介绍
[0002]近年来，电子设备逐渐向着便携式和智能化方向发展，其中功能纤维的出现为柔性可穿戴器件提供了更多的机遇和挑战，特别是具有优异延展性、韧性、高导电、高机械强度以及环境稳定的高性能纤维在智能应用中显得尤为重要，例如在人造肌肉、纺织电子、智能织物传感器及电磁屏蔽等领域，但是同时具备上述功能且性能优异的纤维的制备依旧面临巨大的挑战。二维片层碳化钛材料具有优异的机械、电学和结构性能，此外，其表面大量的羟基(
‑
OH)和氟基(
‑
F)等官能团也为材料提供了更多的反应位点,因此碳化钛纤维得到了研究者的广泛关注。但是，已报道的碳化钛纤维通常表现出较低的应变(<3％)，较低的强度(<250MPa)以及较低的韧性(<10MJ/m3)，如：王超等在CN 113862831A中通过海藻酸钠来增韧碳化钛纤维，并通过氯化钙作为凝固浴来进一步增强碳化钛/海藻酸钠纤维，但由于碳化钛纤维内部氢键数量过多，作用力较强，难以实现片层之间有效的滑移，其次是由于纤维内部空隙较多，片层堆积不够致密，容易断裂，这均导致无法实现较高的应变和强度，其报道的碳化钛/海藻酸钠纤维小于200MPa,且应变小于2％。李耀刚等在CN 112144148B中通过使用壳聚糖和乙酸的复合凝固浴以及氢碘酸后处理浸泡等一系列策略来制备了最高强度为145MPa的碳化钛纤维，该碳化钛纤维的强度虽然得到了一定程度的提升，但是仍旧较低，这也是由于碳化钛片层之间难以实现有效的滑移，界面作用力没有得到有效调控以及片层之间的致密程度不够导致的。这种低延伸性、强度和韧性会导致机械柔顺性差、耐用性差、抗冲击性低，极大的限制了碳化钛纤维的应用。因此，现在亟需一种策略来提高碳化钛纤维的应变和韧性并且保持较高的强度、电导率和稳定性。
技术实现思路
[0003]本专利技术针对现有技术中碳化钛纤维韧性差，强度低，断裂伸长率低以及拉伸过程中不能保持结构完整性的问题，提供了一种在纤维内部构建机械联锁结构，使碳化钛复合导电纤维同时具有高强度、高韧性、高伸长率、超抗疲劳性和环境稳定的制备方法。
[0004]为了解决现有技术的不足，本专利技术中将碳化钛与聚轮环分散于水中，形成液晶态纺丝分散液，之后通过采用湿法纺丝技术，将纺丝液连续均匀挤入凝固液，得到初生的碳化钛/聚轮环复合纤维，然后将碳化钛/聚轮环复合纤维热拉伸至一定倍率，最后，通过N，N
′‑
羰基二咪唑和金属阳离子使碳化钛和聚轮环进行化学交联，在纤维内部形成机械联锁结构，得到高性能碳化钛复合导电纤维。其中，碳化钛二维纳米片作为纤维的主体材料，形成了导电的刚性网络，能够提供良好的机械性能、导电性和电化学活性。聚轮环可以利用其独特的轮滑作用，将片层网络与线状高分子组成机械联锁结构，当纤维受到外力作用时，聚轮
环链段的伸展、轮滑的滑移以及强烈的机械联锁作用都可以有效的传递和分散应力，从而实现了脆性网络到韧性网络的转变，进而提高了纤维的强度、韧性、应变和稳定性。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种机械联锁的高性能碳化钛复合导电纤维。其特征在于该碳化钛纤维的材料制备、结构、高强度、高韧性、高伸长率、超抗疲劳性和环境稳定性。材料制备方法主要包括：
[0006](1)将碳化钛(Ti3C2T
x
，MXene)纳米片分散于水中，得到碳化钛液晶态分散液，浓度为10
‑
180mg/ml；
[0007](2)合成聚轮环材料，并配置聚轮环水性溶液，浓度为5
‑
200mg/ml；
[0008](3)碳化钛分散液与聚轮环溶液混合，得到液晶态混合分散液，浓度为10.5
‑
200mg/ml，聚轮环占碳化钛质量分数为5
‑
25％；
[0009](4)碳化钛/聚轮环液晶态分散液通过纺丝模头挤出，经不良溶剂凝固浴凝固、辊轴收集，形成自支撑的初生碳化钛复合纤维；
[0010](5)将初生的碳化钛复合纤维继续热牵引，拉伸倍率为0.5
‑
5％，并置于60
‑
90℃烘箱中加热干燥10
‑
40分钟，使碳化钛纳米片层间距达到1.5
‑
2nm；
[0011](6)将热拉伸后的碳化钛复合纤维浸泡于交联浴中10
‑
60分钟，使碳化钛纳米片与聚轮环进行化学交联反应，在纤维内部形成机械联锁结构，收集后置于90
‑
180℃烘箱中真空加热干燥20
‑
100分钟，得到高性能碳化钛复合导电纤维。
[0012]进一步的所述的聚轮环为聚异戊二烯/α
‑
环糊精，聚(乙二醇)/α
‑
环糊精，N
‑
[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺/α
‑
环糊精，甲基丙烯
‑2‑
羟乙酯/α
‑
环糊精，聚(环氧乙烷)/α
‑
环糊精，聚(环氧丙烷)/α
‑
环糊精中的一种或几种。
[0013]进一步的所述的交联浴为溶解了N，N
′‑
羰基二咪唑和金属阳离子的二甲基亚砜溶液；其中金属阳离子为Ca
2+
，Al
3+
，Mg
2+
，Zr
4+
，Zn
2+
，Ni
2+
中的一种或几种；N，N
′‑
羰基二咪唑的质量分数为0.3
‑
8％，金属阳离子的质量分数为0.05
‑
1％。
[0014]进一步的所述的凝固浴为硫酸镁溶液(溶剂为乙醇和水，体积比为1：3)，壳聚糖溶液，氯化钙溶液(溶剂为乙醇和水，体积比为1：3)，乙酸溶液，氯化铵和氢氧化铵的混合溶液。
[0015]进一步的所述的机械联锁结构是指聚轮环上带有羟基的α
‑
环糊精与碳化钛片层表面的羟基通过N，N
′‑
羰基二咪唑发生化学交联反应，形成化学共价键；同时α
‑
环糊精上的羟基与碳化钛片层表面的羟基与金属阳离子发生离子交联反应，形成离子配位键；通过双交联网络形成机械联锁结构。
[0016]进一步的所述的碳化钛复合导电纤维内部具有沿纤维轴向高度取向的高度致密的层状结构，碳化钛层间距为1.5
‑
2nm，纤维直径为30
‑
100微米，碳化钛质量分数为75
‑
95％，纤维导电率500
‑
2000S/cm。
[001本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种机械联锁的高性能碳化钛复合导电纤维的制备方法，其特征在于，将碳化钛与聚轮环分散于水中，形成液晶态纺丝分散液，之后通过采用湿法纺丝技术，将纺丝液连续均匀挤入凝固液，得到初生的碳化钛/聚轮环复合纤维，然后将碳化钛/聚轮环复合纤维热拉伸至一定倍率，最后，通过N，N
′‑
羰基二咪唑和金属阳离子使碳化钛和聚轮环进行化学交联，在纤维内部形成机械联锁结构，得到高性能碳化钛复合导电纤维。其中，碳化钛二维纳米片作为纤维的主体材料，形成了导电的刚性网络，聚轮环将片层网络与线状高分子组成机械联锁结构。2.根据权利要求1所述的高性能碳化钛复合导电纤维的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：(1)将碳化钛纳米片分散于水中，得到碳化钛液晶态分散液，浓度为10
‑
180mg/ml；(2)合成聚轮环材料，并配置聚轮环水性溶液，浓度为5
‑
200mg/ml；(3)碳化钛分散液与聚轮环溶液混合，得到液晶态混合分散液，浓度为10.5
‑
200mg/ml，聚轮环占碳化钛质量分数为5
‑
25％；(4)碳化钛/聚轮环液晶态分散液通过纺丝模头挤出，经不良溶剂凝固浴凝固、辊轴收集，形成自支撑的初生碳化钛复合纤维；(5)将初生的碳化钛复合纤维继续热牵引，拉伸倍率为0.5
‑
5％，并置于60
‑
90℃烘箱中加热干燥10
‑
40分钟，使碳化钛纳米片层间距达到1.5
‑
2nm；(6)将热拉伸后的碳化钛复合纤维浸泡于交联浴中10
‑
60分钟，使碳化钛纳米片与聚轮环进行化学交联反应，在纤维内部形成机械联锁结构，收集后置于90
‑
180℃烘箱中真空加热干燥20
‑
100分钟，得到高性能碳化钛复合导电纤维。3.根据权利要求2所述的高性能碳化钛复合导电纤维的制备方法，其特征在于：所述的聚轮环为聚异戊二烯/α
‑
环糊精，聚(乙二醇)/α
‑
环糊精，N
‑
[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺/α
‑
环糊精，甲基丙烯
‑2‑
羟乙酯/α
‑
环糊精，聚(环氧乙烷)/α
‑
环糊精，聚(环氧丙烷)/α
‑
环糊精中的一种或几种。4.根据权利要求2所述的高性能碳化钛复合导电纤维的制备方法，其特征在于：步骤(6)中所述的交联浴为溶解了N，N
′‑
羰基二咪唑和金属阳离子的二甲基亚砜溶液；其中金属阳离子为Ca
2+
，Al
3+
，Mg
2+
，Zr
...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁嘉杰，谷建锋，李凤超，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：
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