一种高导电纳米碳/金属复合纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导电纳米碳/金属复合纤维及其制备方法。所述制备方法包括：将纳米碳材料与大分子表面活性剂以及小分子表面活性剂共同分散于水中，获得纺丝原液；将纺丝原液注入旋转的凝固浴中液相纺丝，获得含有大分子表面活性剂的纳米碳纤维；向凝固浴中加入金属源化合物以及还原剂反应，使生成的金属粒子沉积于含有大分子表面活性剂的纳米碳纤维表面，获得金属复合纳米碳纤维；进行热压处理，获得高导电纳米碳/金属复合纤维。本发明专利技术的制备方法采用两种表面活性剂混合共同分散纳米碳材料可以实现分散效果的同时引入合适含量的金属粒子生长位点，大幅提升了纳米碳纤维的导电性能，并具有优异的导电性能稳定性。并具有优异的导电性能稳定性。并具有优异的导电性能稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种高导电纳米碳/金属复合纤维及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料制备
，尤其涉及一种高导电纳米碳/金属复合纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]纳米碳纤维通常包括碳纳米管纤维、石墨烯纤维及其复合纤维，因具有比强度高、比电导高、易导热、抗腐蚀和耐氧化等特点，有望作为传输线路的基本组件，在航空航天、轨道交通和生物医疗等方面发挥重要的作用。但目前纳米碳纤维还不能很好的满足实际应用的需要，主要在于碳纳米管或石墨烯在组装过程中很难一步形成良好的电子传输通路，使得组装后纤维整体的电导率往往大幅低于金属纤维。作为一种由碳纳米管或石墨烯组装而成的纤维材料，纳米碳纤维导电性主要依赖于内部网络结构。因此，对于规模化扩大纳米碳纤维的应用范围来说，迫切的任务是通过较为有效的手段改善纤维的导电网络，从而进一步的提升其导电性能。
[0003]目前，碳纳米管纤维的制备方法主要分为三种：浮动纺丝技术(文献1：Cheng H M，Li F，Sun X，Brown S D M，Pimenta M A，Marucci A，Dresselhaus G，Dresselhaus M S.Chemical Physics Letters,1998,289(5
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6):602
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610.)、阵列纺丝技术(文献2：Jiang K,Li Q,Fan S.Nature..2002,419(6909),801)和溶液纺丝技术(文献3：Vigolo B，Penicaud A，Coulon C，Sauder C，Pailler R，Journet C，Bernier P，Poulin P.Science,2000,290(5495):1331
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1334.)。浮动纺丝通过将碳源、催化剂以及促进剂等物质注入高温反应腔内生成“袜子”状碳纳米管气凝胶，然后经载流气体吹出反应区后致密化处理以获得纤维。阵列纺丝技术与传统的丝织工艺非常类似，其核心工艺即是从碳管阵列中抽出的碳纳米管膜，然后经加捻处理后转化为致密的纤维。而溶液纺丝过程中碳纳米管粉体只需均匀的分散在溶剂中，然后被连续匀速地注入凝固浴溶液，经凝胶固化与干燥后即可得到纤维。相较于浮动纺丝技术和阵列纺丝技术而言，溶液纺丝技术可以有针对性的对碳纳米管进行提纯处理、同时也不需要碳纳米管在基底上呈现阵列排布，因此比较适合大批量的生产性能稳定的碳纳米管纤维。石墨烯纤维的制备方法主要以溶液纺丝技术为主，一般先将石墨烯氧化成氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯分散液挤出至凝固浴中，获得氧化石墨烯纤维，后续通过高温、还原剂等后处理方式，可获得石墨烯纤维。
[0004]根据分散介质的不同，碳纳米管的溶液纺丝技术主要分为两类：第一类利用分散剂对碳纳米管进行非共价改性(文献3：Vigolo B，Penicaud A，Coulon C，Sauder C，Pailler R，Journet C，Bernier P，Poulin P.Science,2000,290(5495):1331
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1334.)，以改善其在溶剂中的分散程度；第二类利用超强酸对碳纳米管进行质子化处理(文献4：Ericson L M,Fan H,Peng H Q,Davis VA,Zhou W,Sulpizio J,Wang Y H,Booker R,Vavro J,Guthy C,Parra
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Vasquez A N G,Kim M J,Ramesh S,Saini R K,Kittrell C,Lavin G,Schmidt H,Adams W W,Billups W E；Pasquali M,Hwang W F,Hauge R H,Fischer J E,Smalley R E.Science,2004,305(5689),1447
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1450.)，以得到稳定的分散液。受分散介质
的影响，第一类制备的碳纳米管纤维的导电性弱于第二种，但后者也对实验设备和环境提出了较高要求。
[0005]目前，无论是利用分散剂还是利用超强酸制备的纤维电导率均远远低于金属纤维。考虑到溶液纺丝的特点，现有的改善方案主要有三种：致密化处理(文献5：Mukai K,Asaka K,Wu XL,Morimoto T,Okazaki T.Applied Physics Express,2016,9,055101.)、掺杂处理(文献6：Behabtu N,Young C C,Tsentalovich D E,Kleinerman O,Pasquali M.Science,2013,339(6116),182
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186.)和碳纳米管/纳米金属粒子混合纺丝(文献7：Han J T,Choi S,Jang J I,Seol S K,Woo J S,Jeong H J,Jeong S Y，Baeg K J，Lee G W.Scientific Reports,2015,5,9300.)。致密化处理主要通过施加机械力的形式增大碳纳米或石墨烯管间接触面积以减小电子跃迁的阻力。掺杂处理主要利用卤素等导电物质改变碳纳米管或石墨烯的电子结构，从而增大纤维中碳纳米管的载流子浓度。碳纳米管或石墨烯/纳米银粒子混合纺丝主要通过在分散体系中引入银纳米线等物质，以增加成型后纤维内部的电子传输通路。
[0006]对于碳纳米管或石墨烯/纳米金属粒子混合纺丝而言，纳米金属粒子具有很高的导电性，与碳纳米管或石墨烯分散液混合后可以增加成型后纤维内部电子的传输通路，从而可以得到导电性能较好得复合纤维。但纤维内部网络结构也极易受到金属粒子的影响而破坏，这使得引入的金属纳米粒子必须具有合适的大小、尺寸与含量。而目前各类合成方法制备纳米金属粒子的尺寸和大小的发散性都比较大，产物需要经多次分离和提纯后才能使用。因此，碳纳米管或石墨烯/纳米金属粒子混合纺丝的成本较高，不适合大批量生产。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高导电纳米碳/金属复合纤维及其制备方法。
[0008]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：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种高导电纳米碳/金属复合纤维的制备方法，包括：
[0010]提供纳米碳材料，所述纳米碳材料包括碳纳米管和/或石墨烯；
[0011]将所述纳米碳材料与大分子表面活性剂以及小分子表面活性剂共同分散于水中，获得纺丝原液；
[0012]将所述纺丝原液注入旋转的凝固浴中进行液相纺丝，获得含有大分子表面活性剂的纳米碳纤维；
[0013]向所述凝固浴中加入金属源化合物以及还原剂进行还原反应，使其中的金属元素被所述还原剂还原，并使生成的金属粒子沉积于所述含有大分子表面活性剂的纳米碳纤维表面，获得金属复合纳米碳纤维；
[0014]对所述金属复合纳米碳纤维进行热压处理，获得高导电纳米碳/金属复合纤维。
[0015]第二方面，本专利技术还提供一种上述方法制备的高导电碳纳米管/金属复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高导电纳米碳/金属复合纤维的制备方法，其特征在于，包括：提供纳米碳材料，所述纳米碳材料包括碳纳米管和/或石墨烯；将所述纳米碳材料与大分子表面活性剂以及小分子表面活性剂共同分散于水中，获得纺丝原液；将所述纺丝原液注入旋转的凝固浴中进行液相纺丝，获得含有大分子表面活性剂的纳米碳纤维；向所述凝固浴中加入金属源化合物以及还原剂进行还原反应，使其中的金属元素被所述还原剂还原，并使生成的金属粒子沉积于所述含有大分子表面活性剂的纳米碳纤维表面，获得金属复合纳米碳纤维；对所述金属复合纳米碳纤维进行热压处理，获得高导电纳米碳/金属复合纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及功能化碳纳米管中的任意一种或两种以上的组合，所述石墨烯包括氧化石墨烯、石墨烯中的任意一种或两种组合。优选的，所述大分子表面活性剂包括羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、壳聚糖以及聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种或两种以上的组合；所述小分子表面活性剂包括胆酸钠、十二烷基磺酸钠以及十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或两种以上的组合。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝原液的配制具体包括：将所述大分子表面活性剂溶解于水中，形成浓度为2
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4mg/mL的大分子表面活性剂溶液；然后加入所述小分子表面活性剂，获得混合溶液；将所述纳米碳材料加入所述混合溶液中，搅拌2
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24h后在30
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50MPa压力下均质处理20
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30min，获得所述纺丝原液。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中小分子表面活性剂的浓度为20
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50mg/mL；和/或，所述纳米碳材料与小分子表面活性剂的质量比为1:1
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1:5。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述凝固浴包括有机溶剂、盐离子水溶液或有机无机混合液；优选的，所述有机溶剂包括异丙醇、丙酮、丁醇以及乙醇中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述盐离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕卫帮，周庚衡，曲抒旋，肖光，
申请(专利权)人：江西省纳米技术研究院，
类型：发明
国别省市：