一种新型皮芯层复合纤维、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种新型皮芯层复合纤维、其制备方法及应用。该新型皮芯层复合纤维包括碳纳米管纤维以及包裹在碳纳米管纤维上的导电聚合物；其制备方法包括：首先通过阵列纺丝法、浮动催化纺丝或溶液纺丝等制得碳纳米管纤维，然后对该碳纳米管纤维进行酸化处理，再将酸化处理后的碳纳米管纤维表面沉积导电聚合物，得到导电聚合物为皮层，碳纳米管纤维为芯层的双组份复合纤维。该复合纤维具有良好的线电容特性，并且具有质量轻、强度高等特点，而其制备方法简单便捷，为两步成型，制备过程全部在常温常压下进行，能耗低，效率高，操作方便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型皮芯层复合纤维及其制备方法，尤其涉及一种以碳纳米管纤 维为芯、导电聚合物为皮层的新型皮芯层复合纤维及其制备方法，属于纳米微复合材料领 域。
技术介绍
电容器具有较高的能量密度、功率密度和长循环寿命等，作为一种清洁、高效的新 型储能器件，受到越来越多研究人员的关注，在电动汽车、移动通讯、国防科技等领域具有 广阔的应用和发展前景。其中电极材料是制约电容器的瓶颈，也是影响超级电容器发展的 关键因素。目前对电极材料的研究主要集中在开发混合型电容器、赝电容材料过渡金属氧 化物及导电聚合物与高比表面积碳材料的复合，以达到能制备高比容量、高能量密度、高功 率密度、低等效电阻以及性价比高的活性材料。为了达到这些目的，目前市售的超级电容器 电极多为平面二维结构，以最大限度地实现其能量储存及转化目的。但是这种二维结构的 电极材料在一些特殊要求的场合就不能使用，尤其是军事、航空航天等对设备占用空间要 求极为严格，此时一维线型结构的电极材料就显得极为重要。目前也有少量关于线型电容 器电极的报道，但多是用金属丝或非导电性纱线做电极，这些材料在导电性、比表面积、和 柔性等方面难以兼顾，故市场对新型实用的线型电容器要求极为迫切。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种新型皮芯层复合纤维，其具有轻质、高强、柔性 好、电学性能良好等特点，可用于制备新型电容器件，并克服现有技术中的不足。本专利技术的另一目的在于提供一种制备前述新型皮芯层复合纤维的方法，其能有效 改善纳米管内部结构和表面形貌，使之能作为具有良好力学、电学性能的电极材料在电容 器件中应用，且该方法简单易行。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案一种新型皮芯层复合纤维，包括碳纳米管纤维，以及，包裹在碳纳米管纤维上的导电聚合物。作为优选方案之一，所述导电聚合物包括聚苯胺。一种新型皮芯层复合纤维的制备方法，包括取经酸化处理的碳纳米管纤维作为工作电极，而以惰性电极作为对电极，并取所述工 作电极及对电极与参比电极置入含导电聚合物单体的电解质溶液中，在设定反应条件下进 行电化学反应，获得目标产物，所述目标产物以碳纳米管纤维为芯，而以沉积在碳纳米管纤 维上的导电聚合物为皮层。进一步的，所述碳纳米管纤维包括至少由阵列纺丝工艺、浮动催化纺丝工艺和溶 液纺丝工艺中任意一种工艺所获得的碳纳米管纤维。作为可实施的方案之一，该制备方法中是采用将碳纳米管纤维置入酸性溶液中的 方式而实现对碳纳米管纤维的酸化处理，所述酸性溶液至少选自硝酸、硫酸、盐酸及氢氟酸 中的任意一种。作为优选方案之一，该制备方法还包括将经酸化处理后的碳纳米管纤维再进行热处理，而后作为工作电极置入含导电聚合物 单体的电解质溶液中，所述热处理的温度在50-80°C，时间在Ih以上。作为可实施的方案之一，所述惰性电极包括钼电极、碳电极、石墨电极等，所述参 比电极包括SCE电极，所述电解质溶液为酸性电解质溶液。作为可实施的方案之一，所述电解质溶液以水为溶剂，并包含O. OflO mol/L苯胺 及 O. 5-5 mol/L 硫酸。作为优选方案之一，该方法中是采用恒压法、恒流法和循环伏安法中的任意一种 进行电化学反应的，其中，所述恒压法中电压为O. 5-1V，所述恒流法中电流为O. 01-10 A/cm2，所述循环伏安法的 扫描条件为电压范围-O. 2-0. 8V，扫描速率为O. 01-0. 5 V/s。如上所述新型皮芯层复合纤维及按照上述方法制备的新型皮芯层复合纤维在制 备电子器件中的应用。与现有技术相比，本专利技术的积极效果体现在(1)本专利技术的新型皮芯层复合纤维具有优越的力学性能，强度较高，可以达到1.7 GPa, 韧性优于碳纤维，含碳量仍在99%以上，并且酸化处理后的纤维导电性优于处理前的碳纳 米管纤维，可以提高到原来的三倍，得到力学和电学性能的同时提高；(2)本专利技术的新型皮芯层复合纤维性能优于普通纱线，打结后可以维持强度的80%以 上，具备普通纱线的可操作性，可以满足多种形式(如单丝、复丝、条带、二维织物等)电极的 制备需求；(3)本专利技术的制备方法中用于对碳纳米管纤维进行酸化处理的酸溶液可以重复利用， 基本无毒无害，对环境污染小；(4)本专利技术的制备方法中于碳纳米管纤维表面沉积聚苯胺等导电聚合物的时间短，效 率较高；(5)本专利技术的制备方法简单便捷，基本是纺丝一步法，后处理一步法，易于实现规模化生产。附图说明图1是本专利技术实施例1中经酸化处理后的碳纳米管纤维的SHM电镜图；图2是本专利技术实施例1中经酸化处理后的碳纳米管纤维的红外光谱图；图3a-3c分别是本专利技术实施例1中经酸化处理后的两种碳纳米管纤维的力学(虚线和 实线分别为处理前和处理后的拉伸曲线)和电学性能图；图4是本专利技术实施例1中于碳纳米管纤维上电化学沉积聚苯胺的沉积示意图；图5是以本专利技术实施例1所获新型皮芯层复合纤维制备的电极的线电容性能曲线图。具体实施方式如前所述，有鉴于现有技术中的不足，本专利技术旨在提供一种可用于制备具有良好 力学、电学性能的电极的新型复合纤维材料，其具有皮芯复合结构，因此可称为新型皮芯层 复合纤维，其包括碳纳米管纤维以及包裹在碳纳米管纤维上的导电聚合物，其中，所述导电 聚合物可优选采用聚苯胺，但不限于此。作为可实施的方案之一，前述新型皮芯层复合纤维可通过如下方法制备，其包 括a.从可纺丝碳纳米管阵列中拉出碳纳米管薄膜，其后对碳纳米管薄膜进行加捻和卷 绕收集，或通过浮动催化、溶液纺丝法得到一定长度的碳纳米管纤维；b.将步骤a中得到的纤维放入化学处理液中进行处理；c.对经化学处理的碳纳米管纤维进行电化学沉积，得到表面附有聚苯胺或其它导电 聚合物的新型皮芯层复合纤维；d.将步骤C中得到的纤维制作成电极，进行性能测试。该方法中，首先要得到碳纳米管纤维。进一步地，该方法中，碳纳米管纤维具有设定的捻角、长度，而直径可根据需要调 控，比如，捻角15-20度、长3米、直径10微米。该方法中，步骤a中化学处理对象为碳纳米管纤维进行酸化处理，并且在酸化过 程中碳纳米管纤维受到一定的张力作用，进行化学处理的酸溶液可以是浓硝酸，但亦可为 盐酸、硫酸等。进一步地，对碳纳米管纤维进行酸化处理的时间不同得到的酸化处理效果也不 同，比如，若处理时间为2小时，则所得碳纳米管纤维就具有较好的力学和电学性能。并且，前述进行化学处理的酸溶液可以重复利用，基本无毒无害，对环境污染小； 该方法中，酸化处理完成后，导电聚合物的化学沉积在电解溶液中进行，所采用方法可以为恒压法、恒流法、循环伏安法等方法。进一步地，化学沉积过程中，恒压法电压范围为O. 5-1V，恒流法中电流为O. 01-10 A/cm2，循环伏安法的扫描条件为电压范围-O. 2-0. 8V，扫描速率为O. 01-0. 5 V/s。进一步地，导电聚合物沉积层厚度可根据沉积时间控制。该方法简单便捷，基本是纺丝一步法，后处理一步法，易于实现规模化生产。藉由前述方法所获新型皮芯层复合纤维可作为电极应用，比例，可以用银胶将新 型皮芯层复合纤维固定在载玻片上，铜线通过银胶与新型皮芯层复合纤维电连接，引出电 极，用于性能测试。本专利技术的新型皮芯层复合纤维具有优越的力学性能，强度较高，可以达到1.7 GPa，韧性优于碳纤维，含碳量仍在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型皮芯层复合纤维，其特征在于，它包括：碳纳米管纤维，以及，包裹在碳纳米管纤维上的导电聚合物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵静娜，孟凡成，张骁骅，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：