一种取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维及其制备方法技术

一种取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维，包含碳纳米管纤维和在碳纳米管纤维表面均匀涂覆的氧化钛薄膜，该取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维具有核-壳取向结构；该碳纳米管-氧化钛杂化纤维的制备方法包括：对碳纳米管纤维进行羟基化预处理；然后置于原子层沉积系统腔体中；通入氧化钛的前驱体气体脉冲，使之形成单原子层；利用惰性气体脉冲排出多余的氧化钛的前驱体；通入水蒸汽气体脉冲，使之与已吸附于碳纳米管纤维表面的氧化钛的前驱体发生化学反应；通过控制上述部分步骤的循环周期的次数，以实现对碳纳米管纤维表现沉积的氧化钛膜层厚度的精确控制。本发明专利技术的产品电导率高，可最大限度增加碳纳米管/氧化钛界面大小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新材料领域，尤其涉及一种核-壳取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维及 其制备方法。
技术介绍
碳纳米管（CNTs)纤维不仅具有较高的拉伸强度和模量，还具有良好的韧性、良好 的导电能力。氧化钛由于具有独特的物理、化学性质（如高介电常数、优秀的介电特性、很 好的热稳定性），在光学材料、传感器、电容器等方面有着广泛应用前景。碳纳米管-氧化钛 杂化纤维结合了碳纳米管纤维和氧化钛这两种材料的优势，与在传统的无机纳米复合材料 中碳纳米管呈机械分散不同，在碳纳米管-无机氧化物的杂化材料中，碳纳米管不仅可以 作为无机氧化物粒子的支撑材料，还可为其中产生的光致电荷提供快速的传输通道，这使 得CNTs和无机氧化物在界面处通过电荷传递和热传递过程能显示出很好的协同效应，最 终赋予这种杂化材料不仅具有各组份材料的性能，同时还具有很多与各组份材料不同的奇 特性能。 目前，研究人员已采用多种化学和物理合成方法来制备碳纳米管-氧化钛杂化材 料。其中，湿法-化学合成技术（如电沉积法、溶胶凝胶法（Sol-Gel)及水热法等）是将氧 化钛材料涂覆到碳纳米管表面以制备杂化材料最为常见的方法之一，但是该方法却不适用 于取向碳纳米管-氧化钛新型杂化材料的制备。同时，也有少量研究人员采用化学气相沉 积法（CVD)、蒸汽辅助的水热法及物理沉积法（PVD)将氧化钛渗透到具有宏观尺度的CNT聚 集体中以制备杂化材料。尽管以上几种制备方法都可保留宏观碳纳米管聚集体的原始取向 结构和形貌，但是沉积物难以深入到碳纳米管聚集体内部，且不能实现氧化钛在取向碳纳 米管表面的均匀涂覆，造成涂层厚度的可控性及可重复制备变得尤为困难。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一 种电导率高、可最大限度增加碳纳米管/氧化钛界面大小、且保留宏观碳纳米管纤维的原 始取向结构和形貌的碳纳米管-氧化钛杂化纤维，还提供一种可低温操作、沉积参数高度 可控、且可保证沉积均匀性和一致性的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维的制备方法。 为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种取向碳纳米管-氧化钛杂化 纤维，所述碳纳米管-氧化钛杂化纤维包含碳纳米管纤维和在碳纳米管纤维表面均匀涂覆 的氧化钛薄膜，该取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维具有核-壳取向结构。 上述的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维中，优选的：该取向碳纳米管-氧化钛杂化 纤维的导电率在3· 00X 104~3· 25X 10 4S · m、 上述的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维中，优选的：所述碳纳米管纤维表面沉积 的氧化钛的厚度为〇. 〇4nm~60nm。 作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤 维的制备方法，包括以下步骤： (1)采用具有氧化性的无机酸对碳纳米管纤维进行预处理（优选是浸泡处理，浸 泡时间不少于4h)，实现碳纳米管纤维的羟基化； (2)将步骤（1)后获得的羟基化的碳纳米管纤维进行洗涤、干燥，然后置于原子层 沉积系统腔体中；抽真空并设定反应温度，加热升温； (3)向所述原子层沉积系统腔体中通入氧化钛的前驱体气体脉冲，使之与碳纳米 管纤维表面发生化学吸附或表面化学反应形成单原子层； (4)利用惰性气体脉冲净化原子层沉积系统腔体，排出多余的氧化钛的前驱体； (5)通入水蒸汽气体脉冲，使之与已吸附于碳纳米管纤维表面的氧化钛的前驱体 发生化学反应，形成单层厚度的薄膜； (6)利用惰性气体脉冲净化原子层沉积系统腔体，排出多余的水蒸气及反应副产 物； (7)通过控制上述步骤（3)~（6)循环周期的次数（一般不超过1000次），以实 现对碳纳米管纤维表现沉积的氧化钛膜层厚度的精确控制。 上述的制备方法，优选的：所述氧化钛的前驱体为四（二甲氨基）钛。通入四（二 甲氨基）钛气体脉冲后，四（二甲氨基）钛会与碳纳米管纤维表面的羟基反应，并在表面形 成单分子层。 上述的制备方法，优选的：所述氧化钛的前驱体与水的反应温度控制为110°C~ 160。。。 上述的制备方法，优选的：所述具有氧化性的无机酸为稀硝酸或混合酸，所述稀硝 酸的浓度为20~40mol/L;所述混合酸为浓硝酸和浓硫酸按照体积比为1 : 2~1 : 4混 合而成的混合酸。 上述的制备方法，优选的：所述步骤（7)中，循环周期的次数为1~1000次，沉积 速率为〇,4〇盖~MOA /周期。 与现有技术相比，本专利技术的优点在于： 1.本专利技术的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维具核-壳取向结构，杂化纤维在最大 限度增加碳纳米管/氧化钛界面大小的同时保留了宏观碳纳米管纤维的原始取向结构和 形貌，并实现了氧化钛在碳纳米管纤维表面的均匀涂覆，保证其沉积的均匀性和一致性。 2.本专利技术的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维可以在较低温度下（优选如110°C~ 160°C )进行。 3.本专利技术的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维可通过设定反应的循环周期次数来 实现涂覆的氧化钛的厚度控制，具有沉积参数的高度可控性，步骤较为简单，且不需要转化 成更大体积的材料，只需将需要沉积的非晶态材料层的前驱体直接沉积于酸处理后的纤维 上，待其发生单分子层反应，重复反应步骤，沉积至合适厚度即可。 4.本专利技术的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维充分利用了取向碳纳米管纤维和氧 化钛在界面处的协同作用，得到的杂化纤维的电导率高。【附图说明】 为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他的附图。 图1是本专利技术实施例1中制备的核-壳取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维的SEM图。 图2是本专利技术核-壳取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维的反应过程原理示意图。 图3是本专利技术实施例1中制备的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维拉伸断裂后的样 品的SEM图。 图4是本专利技术实施例2中制备的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维拉伸断裂后的样 品的SEM图。 图5是本专利技术实施例3中制备的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维拉伸断裂后的样 品的SEM图。【具体实施方式】 为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本专利技术作更全 面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体的实施例。 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义 相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术 的保护范围。 除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市 场购买得到或者可通过现有方法制备得到。 实施例1 : -种如图1所示本专利技术的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维，该碳纳米管-氧化钛 杂化纤维包含碳纳米管纤维和在碳纳米管纤维表面均匀涂覆的氧化钛薄膜，通过对该杂化 纤维拉伸断裂后的样品进行扫描电镜测试（如图3所示）发现，该取向碳纳米管-氧化钛 杂化纤维具有核-壳取向结构。 如图2所示，本实施例上述的取向碳纳米管-氧化钛杂化纤维的制备步骤包括： (1)将一根或多根纯碳纳米管纤维置于装有25mol/L !^03溶液的聚四氟乙烯容器 中常温浸泡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种取向碳纳米管‑氧化钛杂化纤维，所述碳纳米管‑氧化钛杂化纤维包含碳纳米管纤维和在碳纳米管纤维表面均匀涂覆的氧化钛薄膜，其特征在于：该取向碳纳米管‑氧化钛杂化纤维具有核‑壳取向结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：祖梅，邹溯萌，李铭洋，程海峰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43