一种高性能碳纳米管纤维丝束的制备方法

本发明涉及碳纳米管纤维，尤其涉及一种高性能碳纳米管纤维丝束的制备方法。

背景技术：

1、碳纳米管融合了高分子纤维、碳纤维和金属纤维的卓越性能。在微观尺度下，单个碳纳米管表现出卓越的力学强度，电导率以及热导率，其拉伸强度可达100gpa，理论电导率可高达108s·m-1，热导率高达3000w·m-1·k-1。碳纳米管纤维是以纳米尺度的碳纳米管为组装单元构建而成的宏观连续纤维材料，其直径达微米级别。这种高性能碳纳米管纤维的力学、电学和热学性能已远远超越传统高性能纤维，如碳纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维和凯夫拉纤维等。因此，碳纳米管纤维有望成为新一代碳基高性能纤维材料，在结构功能一体化复合材料等领域具有广泛的应用前景。

2、目前，高性能碳纳米管纤维的制备方法主要有阵列抽丝、浮动催化剂化学气相沉积直接纺丝法以及溶液纺丝法。其中，溶液纺丝法采用碳纳米管分散液作为纺丝原液，借鉴传统的溶液纺丝技术，将纺丝液注入至凝固浴中形成碳纳米管纤维。该类方法借鉴了成熟的化学纤维湿法纺丝技术，使得该方法在后期纤维的产业化中展现出显著的优势。然而，高长径比的碳纳米管在纺丝过程中易于缠结，不仅造成纤维中碳纳米管取向程度降低，而且缠结碳纳米管堵孔，大幅降低纺丝过程的连续性，难以实现长丝的制备。与此同时，丝束制备过程中，初生丝条在凝固浴中凝固程度不充分，极易造成丝条融并和聚集，丝束难以分散成均匀分布的单丝。

3、综上所述，目前亟需提供一种取向程度降高、连续性好、凝固程度高的高性能碳纳米管纤维丝束的制备方法，以实现高性能碳纳米管纤维丝束的宏量制备。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种高性能碳纳米管纤维丝束的制备方法。本发明提供的方法能够实现碳纳米管纤维的高度取向排列，实现百米级碳纳米管纤维丝束的连续化制备，并且纤维凝固程度高，能够得到均匀分散的单丝。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种高性能碳纳米管纤维丝束的制备方法，包括以下步骤：

4、将碳纳米管和氯磺酸混合，得到碳纳米管液晶纺丝液；

5、将所述碳纳米管液晶纺丝液挤出到一级凝固浴中进行固化，得到初生纤维丝束；所述一级凝固浴使用的凝固剂为丙酮；

6、在定向牵伸作用下，所述初生纤维丝束进入二级凝固浴中进行固化，得到所述高性能碳纳米管纤维丝束；所述二级凝固浴使用的凝固剂为水。

7、优选的，所述碳纳米管为少壁碳纳米管；所述碳纳米管的长径比大于4000，拉曼光谱的g/d比大于20，杂质含量小于1wt％。

8、优选的，所述碳纳米管液晶纺丝液中碳纳米管的浓度为1～2wt％。

9、优选的，所述碳纳米管液晶纺丝液的挤出速率为50～150μl·min-1。

10、优选的，所述一级凝固浴中丝条的停留时间为5～20s，一级凝固浴的温度为室温；所述二级凝固浴中丝条的停留时间为5～15s，二级凝固浴的温度为室温；

11、优选的，所述定向牵伸的牵伸比为1.5～2。

12、优选的，所述碳纳米管液晶纺丝液通过多孔喷丝组件喷入一级凝固浴中。

13、优选的，制备所述高性能碳纳米管纤维丝束的装置包括挤出装置、一级凝固浴、辅助滚轮、二级凝固浴和收卷滚轮；所述挤出装置包括装料釜和多孔喷丝组件，所述装料釜和多孔喷丝组件通过鹅颈管连通；所述多孔喷丝组件的出口位于所述一级凝固浴中；所述一级凝固浴和二级凝固浴在丝束的牵伸方向上依次设置；所述收卷滚轮设置在二级凝固浴之后；所述辅助滚轮设置于一级凝固浴和二级凝固浴之间。

14、优选的，所述多孔喷丝组件的孔数为10～100，内径为80～150μm。

15、优选的，所述高性能碳纳米管纤维丝束的纤维根数为10～100，单根纤维的直径为10～22μm；所述高性能碳纳米管纤维丝束中单根纤维的拉伸强度为0.7～5.5gpa，电导率为0.8～15ms·m-1，热导率为200～400w·m-1·k-1。

16、本发明提供了一种高性能碳纳米管纤维丝束的制备方法，包括以下步骤：将碳纳米管和氯磺酸混合，得到碳纳米管液晶纺丝液；将所述碳纳米管液晶纺丝液挤出到一级凝固浴中进行固化，得到初生纤维丝束；所述一级凝固浴使用的凝固剂为丙酮；在定向牵伸作用下，所述初生纤维丝束进入二级凝固浴中进行固化，得到所述高性能碳纳米管纤维丝束；所述二级凝固浴使用的凝固剂为水。本发明采用氯磺酸为碳纳米管液晶纺丝液的溶剂，采用丙酮为一级凝固浴，利用氯磺酸在丙酮中扩散速率低特性，降低扩散过程的剧烈程度，实现碳纳米管液晶纺丝液在一级凝固浴中的均匀收缩和固化，形成连续的凝胶状初生纤维丝束；同时，本发明采用水为二级凝固浴，初生纤维丝束在张力牵伸作用下进入二级凝固浴，去除纤维中残留的溶剂，实现纤维中碳纳米管的高取向性排列及高致密度堆积。综上所述，本发明利用液晶纺丝技术实现碳纳米管液晶纺丝液细流在喷丝孔中流动剪切取向，结合定向牵伸，实现碳纳米管的高度取向排列，获得高性能碳纳米管纤维丝束，实现百米级碳纳米管丝束纤维的连续化制备，同时本发明能提高碳纳米管纤维的凝固程度，得到均匀分布的单丝，避免出现丝条融并和聚集的情况。实施例结果表明，本发明制备的高性能碳纳米管纤维丝束的纤维根数在10(0.01k)～100(0.1k)可调，具有致密的微观结构，且具有高强度、高导电和高导热的特点。

技术特征：

1.一种高性能碳纳米管纤维丝束的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为少壁碳纳米管；所述碳纳米管的长径比大于4000，拉曼光谱的g/d比大于20，杂质含量小于1wt％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管液晶纺丝液中碳纳米管的浓度为1～2wt％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管液晶纺丝液的挤出速率为50～150μl·min-1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一级凝固浴中丝条的停留时间为5～20s，一级凝固浴的温度为室温；所述二级凝固浴中丝条的停留时间为5～15s，二级凝固浴的温度为室温。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述定向牵伸的牵伸比为1.5～2。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管液晶纺丝液通过多孔喷丝组件喷入一级凝固浴中。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备所述高性能碳纳米管纤维丝束的装置包括挤出装置、一级凝固浴、辅助滚轮、二级凝固浴和收卷滚轮；所述挤出装置包括装料釜和多孔喷丝组件，所述装料釜和多孔喷丝组件通过鹅颈管连通；所述多孔喷丝组件的出口位于所述一级凝固浴中；所述一级凝固浴和二级凝固浴在丝束的牵伸方向上依次设置；所述收卷滚轮设置在二级凝固浴之后；所述辅助滚轮设置于一级凝固浴和二级凝固浴之间。

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述多孔喷丝组件的孔数为10～100，内径为80～150μm。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高性能碳纳米管纤维丝束的纤维根数为10～100，单根纤维的直径为10～22μm；所述高性能碳纳米管纤维丝束中单根纤维的拉伸强度为0.7～5.5gpa，电导率为0.8～15ms·m-1，热导率为200～400w·m-1·k-1。

技术总结本发明涉及碳纳米管纤维技术领域，提供了一种高性能碳纳米管纤维丝束的制备方法。本发明采用氯磺酸为碳纳米管液晶纺丝液的溶剂，采用丙酮为一级凝固浴，采用水为二级凝固浴，通过液晶纺丝结合定向牵伸得到高性能碳纳米管纤维丝束。本发明提供的制备方法能够实现碳纳米管的高度取向排列，实现百米级碳纳米管丝束纤维的连续化制备，同时本发明能提高碳纳米管纤维的凝固程度，得到均匀分布的单丝，避免出现丝条融并和聚集的情况。实施例结果表明，本发明制备的高性能碳纳米管纤维丝束的纤维根数在10(0.01K)～100(0.1K)可调，具有致密的微观结构，且具有高强度、高导电和高导热的特点。技术研发人员：张锦,黄剑坤,于博文,蹇木强受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17