一種碳基復(fù)合纖維的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳基復(fù)合纖維的制備方法：將碳納米管與氧化石墨烯制備為復(fù)合纖維，特別是將碳納米管和氧化石墨烯制備為向列相溶液后通過(guò)紡絲技術(shù)制備為碳基復(fù)合纖維薄膜或者纖維束。本發(fā)明首次利用具有優(yōu)良性能的碳納米管和氧化石墨烯制備出了性能優(yōu)良的碳基復(fù)合纖維，這將有助于碳基復(fù)合纖維特別是碳納米管與氧化石墨烯的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】一種碳基復(fù)合纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳基復(fù)合纖維的制備方法，特別是將氧化石墨烯和碳納米管構(gòu)建向列相液晶溶液后通過(guò)凝固浴紡絲或者靜電紡絲技術(shù)制備為復(fù)合纖維從而獲得基于氧化石墨烯和碳納米管的復(fù)合纖維束或者薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002]研究表明碳具有多種結(jié)構(gòu)形式，包括金剛石、石墨及無(wú)定形結(jié)構(gòu)等。其中，近些年來(lái)，碳納米管及石墨烯以其出色的性能而受到人們的關(guān)注。碳納米管優(yōu)異的力學(xué)性能，理論估計(jì)單壁碳納米管(SWNTS)的拉伸強(qiáng)度為鋼的100倍，而質(zhì)量只有鋼的1/6，并且延伸率可達(dá)到20%，其長(zhǎng)度和直徑之比可達(dá)100?1000，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般材料的長(zhǎng)徑比(約為20)，因而被稱為“超強(qiáng)纖維”，其性能優(yōu)于當(dāng)前的任何纖維，它既具有碳纖維的固有性質(zhì)，又具有金屬材料的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，陶瓷材料的耐熱耐蝕性，紡織纖維的柔軟可編性，以及高分子材料的易加工性。石墨烯則具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)(楊氏模量高達(dá)1.0 TPa )、電學(xué)性質(zhì)(電子遷移率高達(dá)IO6Cm2.V_ 1.s_ 1 )、熱學(xué)性質(zhì)(熱導(dǎo)系數(shù)高達(dá)5000W.m_ 1.K- 1 )、光學(xué)性質(zhì)(單層石墨烯的可見光吸收僅有2.3%)和優(yōu)異的鎖模特性。
[0003]碳基纖維主要由聚丙烯腈纖維等有機(jī)纖維碳化及碳納米管紡絲制成，碳基復(fù)合纖維主要是由碳納米管或者氧化石墨烯增強(qiáng)有機(jī)纖維。但是由聚丙烯腈等有機(jī)纖維碳化及碳納米管紡絲嚴(yán)苛的工藝要求影響其使用的進(jìn)一步推廣，碳基復(fù)合纖維的性能則受限于增強(qiáng)材料與其它有機(jī)材料的作用能力及添加比例。而研究表明碳納米管與氧化石墨烯復(fù)合能夠進(jìn)一步提高相關(guān)復(fù)合材料的性能，因此開發(fā)碳納米管與氧化石墨烯復(fù)合纖維就變得很有意義。為此，本發(fā)明在國(guó)際上首次提出將氧化石墨烯與碳納米管以一定比例形成向列相溶液后通過(guò)凝固浴紡絲技術(shù)或者靜電紡絲技術(shù)制備為新型碳基復(fù)合纖維，以便為氧化石墨烯和碳納米管的進(jìn)一步推廣應(yīng)用作貢獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述目前技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了 一種碳基復(fù)合纖維的制備方法，首次將碳納米管和氧化石墨烯制備為液晶向列相溶液后，再通過(guò)凝固浴紡絲或者靜電紡絲技術(shù)制備為碳基復(fù)合纖維。
[0005]本發(fā)明的碳基復(fù)合纖維的制備通過(guò)下述方法實(shí)現(xiàn):
首先將碳納米管和氧化石墨烯按比例制備為向列相溶液，然后通過(guò)紡絲技術(shù)制備為碳
基復(fù)合纖維。
[0006]所述向列相溶液濃度介于lmg/mL至10mg/mL,濃度過(guò)低則不能形成向列相溶液而只能形成普通懸濁液，濃度太高則溶液中溶質(zhì)分散不理想。
[0007]所述向列相溶液中碳納米管和氧化石墨烯的比例以重量計(jì)介于1:20至1:10。由于碳基復(fù)合纖維的性能與添加劑的比例有重要關(guān)系，因此選擇合適的碳納米管與氧化石墨烯的比例至關(guān)重要。[0008]所述碳納米管為單臂碳納米管。
[0009]所述氧化石墨烯單片尺寸大于10 μ m,采用單片尺寸大于10 μ m的氧化石墨烯能增加氧化石墨烯間的相互作用，容易形成向列相溶液且便于進(jìn)一步在靜電紡絲過(guò)程中有序排列形成性能優(yōu)良的納米纖維。
[0010]所述紡絲技術(shù)為凝固浴紡絲技術(shù)或者靜電紡絲技術(shù)。
[0011]所述碳基復(fù)合纖維以纖維薄膜或者納米纖維束的形式存在。
[0012]目前包括碳基復(fù)合纖維在內(nèi)的碳基纖維雖然已經(jīng)發(fā)展了很多制備技術(shù)，然而由于制備工藝的嚴(yán)苛或者由于復(fù)合性能的欠缺使其應(yīng)用的進(jìn)一步推廣受到限制。由于最新研究表明，在薄膜中碳納米管能夠有效提高氧化石墨烯薄膜的性能，因此本發(fā)明的有益效果在于:首次將性能優(yōu)良的碳納米管作為添加劑，再結(jié)合氧化石墨烯制備出了性能優(yōu)良的新型碳基復(fù)合纖維；而且本發(fā)明克服了目前碳化纖維制備過(guò)程中聚丙烯腈等有機(jī)纖維碳化及碳納米管紡絲工藝要求高的難題，便于碳納米管與氧化石墨烯的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0014]實(shí)施例一:
首先將干的膨脹石墨片在1050°C處理15秒。隨后將50g膨脹石墨和IOL濃硫酸在反應(yīng)瓶中混合攪拌24小時(shí)。隨后滴加500g的高錳酸鉀。混合物轉(zhuǎn)移至冰浴中，并緩慢加入IOL雙蒸水和2500mL雙氧水，使得懸浮物的顏色轉(zhuǎn)變?yōu)榈厣?。另外再攪?0min，然后用水與鹽酸體積比為9:1的鹽酸水溶液進(jìn)行清洗、離心，隨后再用雙蒸水清洗、離心至溶液的PH值在5-6之間。所獲得的氧化石墨烯片通過(guò)輕輕搖晃而分散在去離子水中。
[0015]隨后將30mL2.5mg/mL的液晶氧化石墨烯水溶液倒入含有40mLN_環(huán)己基_2 -吡咯烷酮的IOOmL離心管中，然后通過(guò)渦旋振蕩器劇烈混合。離心管置于離心器中以IlOOOrpm離心30min，棄去60mL的上清液，換之以60mLN_環(huán)己基-2-吡咯烷酮并通過(guò)渦旋振蕩器劇烈混合。該過(guò)程重復(fù)5次以N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮替換水。最后在離心棄去60mL溶液后再加入5mLN-環(huán)己基-2-吡咯烷酮并通過(guò)渦旋振蕩器劇烈混合得到液晶向列相的8mg/mL氧化石墨烯N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮溶液。
[0016]另外配制0.8mg/mL的單臂碳納米管的N-環(huán)己基_2_吡咯烷酮溶液。然后將氧化石墨烯的溶液和單臂碳納米管的溶液以體積比1:1混合得到向列相的含4mg/mL的氧化石墨烯和0.4mg/mL的單臂碳納米管的N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮溶液。
[0017]取2mL該溶液加入注射器，并將注射器以水平方式固定，其上5號(hào)不銹鋼針頭距離垂直固定的鋁箔約20cm，注射器針頭連接負(fù)壓高壓電源負(fù)極，而鋁箔連接負(fù)壓高壓電源正極。本實(shí)施例采用靜電紡絲技術(shù)，以注射泵控制注射器以2mL/h的速度供給溶液，開啟高壓電源開關(guān)，使得注射器針頭與鋁箔間的電壓為-20000V。含碳納米管的氧化石墨烯溶液即在空中經(jīng)過(guò)噴射、邊擺運(yùn)動(dòng)后收集在鋁箔上而獲得碳納米管與氧化石墨烯復(fù)合的納米纖維薄膜。
[0018]實(shí)施例二:
首先配制液晶向列相的4mg/mL氧化石墨烯N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮溶液。另外配制
0.4mg/mL的單臂碳納米管的N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮溶液。將兩溶液以體積比1:1混合。本實(shí)施例采用凝固浴紡絲技術(shù)，將該混合溶液通過(guò)一個(gè)有50個(gè)孔徑為100 μ m的噴絲頭噴出至其下方20cm處以丙酮為凝固浴的溶液中固化后，引導(dǎo)纖維束至位于其側(cè)面30cm的滾輪上，隨后滾輪以3m/min的速度收集碳納米管與氧化石墨烯的復(fù)合纖維束即獲得有碳納米管和氧化石墨烯復(fù)合而成的纖維束絲線。
[0019]實(shí)施例三
配制向列相的含2mg/mL的氧化石墨烯和0.lmg/mL的單臂碳納米管的N-環(huán)己基-2-批咯烷酮溶液，該向列相溶液中碳納米管和氧化石墨烯的重量比為1:20，其它如實(shí)施例一。
[0020]實(shí)施例四
配制向列相的含9.5mg/mL的氧化石墨烯和0.5mg/mL的單臂碳納米管的N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮溶液，其它如實(shí)施例一。
[0021]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種碳基復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，首先將碳納米管和氧化石墨烯按比例制備為向列相溶液，然后通過(guò)紡絲技術(shù)制備為碳基復(fù)合纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，所述向列相溶液濃度介于 lmg/mL 至 10mg/mL。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，所述向列相溶液中碳納米管和氧化石墨烯的比例以重量計(jì)介于1:20至1:10。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，所述碳納米管為單臂碳納米管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，所述氧化石墨烯單片尺寸大于10 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，所述紡絲技術(shù)為凝固浴紡絲技術(shù)或者靜電紡絲技術(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，所述碳基復(fù)合纖維以纖維薄膜或者納米纖維束的形式存在。
【文檔編號(hào)】D01F9/12GK103614810SQ201310619455
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】張繼中 申請(qǐng)人:東南大學(xué)