一种导电芳纶及其制备方法

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种导电芳纶及其制备方法。

背景技术：

1、随着科技的快速发展，特别是在航空航天、军工、电子信息、能源及安全防护等领域，对于材料的要求越来越苛刻，不仅需要具备高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等基础性能，还往往需要具备导电、电磁屏蔽等特殊功能。

2、芳纶纤维，作为一种高性能合成纤维，以其优异的力学性能、热稳定性和化学稳定性，在多个工业领域得到了广泛应用。然而，传统芳纶纤维并不具备导电性，这在一定程度上限制了其在需要导电或电磁屏蔽功能的场合的应用。因此，如何赋予芳纶纤维导电性，开发出导电芳纶纤维，成为了材料科学领域的一个重要研究方向。

3、传统的通过复合或混纺技术，将导电组分引入芳纶纤维中，使其具备导电性能。但这种方法通常工艺难度较高，混入的导电材料因与芳纶纤维性能差异较大，使其在应用范围受到很大的局限性。此外，随着环保意识的提高，导电芳纶的研究也更加注重材料的可持续性和环保性。如何采用环保的制备工艺和原料，开发出性能优良、环境友好的导电芳纶材料，也是当前研究的重要方向之一。

4、中国专利申请cn115613014a公开了一种在芳纶织物上化学镀银的方法，这种方法的刻蚀粗化、敏化、活化等步骤对芳纶材料的损伤很大，会严重影响芳纶材料的各项性能。中国专利申请cn109554917a公开了一种导电芳纶纤维预处理方法，这种方法通过芳纶表面结合改性剂，形成了芳纶+改性剂+金属层的三层结构，处理复杂，环保性差。中国专利申请cn109438980a公开了一种光吸收器的制备方法，这种方法是将芳纶材料纤维化之后，将金属纳米颗粒复合上去。芳纶材料纤维化会严重影响材料原本的优异性能（例如力学强度性能、高模量等），且该方法的金属纳米颗粒复合的方式，只是将金属纳米颗粒干在材料上，结合力低、容易剥离掉落。

技术实现思路

1、第一方面，本发明提供了一种导电芳纶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2、s101 对芳纶样品进行第一处理，使得所述芳纶样品保持略微弯曲的状态，获得第一芳纶，其中所述第一处理具体包括将所述芳纶样品拉伸至第二长度，所述第二长度包括所述芳纶样品的第一长度的70%-90%；

3、在一些实施例中，所述第一长度为所述芳纶样品完全拉直时两端之间的距离。

4、在一些实施例中，所述第二长度为所述芳纶样品两端之间的距离。

5、在一些实施例中，所述芳纶样品为芳纶iii纤维。

6、在一些实施例中，所述芳纶样品为对位芳纶。

7、在一些实施例中，所述芳纶样品为束丝样品和/或单丝样品。在一些实施例中，当所述芳纶样品为束丝样品时，所述束丝样品由至少2根芳纶单丝组成，例如6根、12根。

8、s102 将所述第一芳纶在氯金酸溶液中浸泡第一时间并对其进行第二处理，获得第二芳纶，其中所述第二处理包括超声或震荡；

9、在一些实施例中，在步骤s102中，所述第二处理的时间包括10-15分钟。

10、在一些实施例中，所述超声的频率包括20khz至100khz。

11、在一些实施例中，所述震荡的频率包括每分钟6-10次。

12、在一些实施例中，所述氯金酸溶液的浓度包括0.5-1 mm。

13、在一些实施例中，所述第一时间包括1-3小时。

14、在一些实施例中，所述第一时间为2-3小时。

15、s103 将所述第二芳纶在还原剂中浸泡第二时间并对其进行第二处理，获得第三芳纶；

16、在一些实施例中，所述第二处理的时间包括5-20分钟

17、在一些实施例中，所述第二时间包括5-20分钟。

18、在一些实施例中，在步骤s103中，所述第二处理的时间和所述第二时间相同。

19、在一些实施例中，所述还原剂包括硼氢化钠。

20、在一些实施例中，所述还原剂的浓度包括0.1 -0.5 m。

21、s104 将所述第三芳纶在第一反应液中浸泡第三时间，获得第四芳纶，即所述导电芳纶；

22、在一些实施例中，所述第三时间包括3-5小时。

23、在一些实施例中，所述第一时间和所述第三时间的比值包括0.4 - 1:1。

24、在一些实施例中，所述第一时间和所述第三时间的比值为0.4 – 0.6:1。

25、在一些实施例中，所述第一时间和所述第三时间的比值为0.6 – 1:1。

26、在一些实施例中，所述第一时间和所述第三时间的比值为0.75 – 1:1。

27、在一些实施例中，所述第一反应液的成分包括：水、无水亚硫酸钠、甲醛和亚硫酸金钠。

28、在一些实施例中，所述第一反应液的成分具体包括：水 25 ml、无水亚硫酸钠 0.4g、40%甲醛水溶液 1.5 ml和99%亚硫酸金钠水溶液 0.8-1 ml。

29、第二方面，本发明提供了基于上述制备方法制备出的导电芳纶。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括以下方面：

31、芳纶纤维是一种人工合成的芳香族聚酰胺，美国联邦贸易委员会将其定义为至少有85%的酰胺键直接与两个苯环相连的长链聚酰胺。芳纶iii是由对苯二胺、对苯二甲酰氯及含有杂环结构的二胺三种单体共缩聚得到的一种对位芳纶纤维。芳纶iii具有超高的强度和模量，其拉伸强度可以达到5.0 gpa以上，拉伸弹性模量在150-180 gpa之间，是优质钢材的5-6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2-3倍。同时，芳纶iii具有良好的热稳定性，能在高温环境下保持其性能不降低，满足严酷的空间应用条件。芳纶iii的耐冲击性和耐磨损性优异，能在恶劣环境中长期使用而不受损。除此之外，芳纶iii还具有耐候性、耐水性、耐腐蚀性、抗紫外性能强等特点，能满足多种复杂环境的需求，是一种具有优异综合性能的高技术特种纤维。虽然芳纶纤维具备如上所述的诸多优异性能，但其并不具备导电性。现有的制备导电芳纶的方法实际上对芳纶纤维的损伤很大，会严重影响芳纶纤维的各项性能的同时，镀层金属还易于与芳纶纤维分离。也就是说，现有技术通常会损害芳纶纤维的各项性能，即使导电性可能会有所提升，然而，当其被使用一段时间之后，镀层金属会脱落，进而导电性也会下降。换句话说，保持芳纶纤维原有强度和性能的高效的同时，增强其导电性是非常困难的。

32、本发明提供了一种同时有效提高芳纶纤维的导电性且保持芳纶纤维的力学性能的导电芳纶的制备方法。本发明发现，在芳纶纤维表面均匀地形成金属镀层，实际上非常困难，特别体现在芳纶纤维的束丝样品上。本发明创造性地通过第一处理步骤和第二处理步骤，对芳纶纤维的单丝与单丝之间的状态进行了控制，使得单丝和单丝之间不会相互接触的同时，单丝和单丝之间由于表面张力对镀金不利影响被进一步控制，使得每根单丝的表面都能形成均匀的金属镀层。另外，本发明无需粗化处理，镀在芳纶样品的纳米金颗粒就具有与芳纶纤维的强作用力，能够促进金属镀层与芳纶表面的牢固结合。本发明相较于传统络合金属工艺，显著提高了金属镀层的附着力和耐久性，降低了脱落风险，保证了芳纶纤维的导电性的长期保持。

33、此外，本发明还发现，当镀金时间大于第三时间（即5小时）时，虽然芳纶纤维的导电性会进一步提升，但是其原有的力学性能可能会被降低，且会对反应容器进行干扰，难以基于相同的反应容器批次性地制备导电芳纶。本发明通过控制第三时间以及第三时间和第一时间的比值，协同地保证了赋予芳纶纤维的优秀的导电性的同时，保持芳纶纤维的力学性能，显著减轻了对芳纶纤维力学性能的潜在不利影响，同时确保芳纶纤维各单丝的性能不受损害。此外，控制第三时间以及第三时间和第一时间的比值，还保证了通过化学键合引入的络合基团能够实现更为均匀的分布，从而在纤维活化处理过程中，使得活化金属能够更为均匀地沉积于芳纶样品表面。这协同地直接促进了后续金属镀层形成的均匀性，为制造出质量更优、性能更稳定的导电芳纶奠定了坚实基础。

34、本发明提供的方法不仅适用于束丝样品，还适用于单丝样品。除此之外，本发明整体工艺流程设计简洁、操作简便快捷，不仅提高了生产效率，还降低了对操作人员的技术要求。本发明符合环保要求，减少了化学试剂的使用量和废液的产生，有利于可持续发展。由于本发明的稳定性和可重复性，本发明非常适合于大规模工业化生产，有助于降低生产成本并提高产品质量的一致性。