[发明专利]一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法，属于高韧性复合纳米制备技术领域。本发明解决了现有制备碳纳米管/石墨烯复合纤维纺丝原液的稳定性和分散效果，实现纺丝过程中连续且均匀出丝的问题。本发明利用天然多糖材料海藻酸钠作为表面活性剂来分散碳纳米管和石墨烯，相比于传统的表面活性剂，海藻酸钠的引入降低了表面活性剂的用量，也减少了非纳米碳材料组分的用量，有利于最终纳米复合纤维力学性能和电学性能的提升。本发明获得的碳纳米管/石墨烯复合纤维中纳米材料体系组分可以高达80％，单丝拉伸的杨氏模量可以达到2056.24MPa；拉伸强度可以达到24.46MPa；电阻率低至1.6×10^‑3Ω·m。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法，属于高韧性复合纳米材料制备技术领域。

背景技术

碳纳米管和石墨烯是目前纳米材料中应用最为广泛的两种材料，由于其优异的力学、电学、热学性能以及良好的稳定性，目前已被广泛的应用于航空航天、机械电子、生物医药以及储能催化等领域。但目前，碳纳米管和石墨烯主要还是以粉体形式进行应用，本身易团聚问题使得两种纳米材料的优异性能并未完全发挥理想的作用。特别是在制备聚合物基复合材料时，由于聚合物基体一般具有较大粘度，纳米材料直接应用后在基体中往往无法实现理想的均匀分散，进而容易影响其对聚合物基体的增强效果。因此，现有技术将纳米材料组装成宏观材料，然后在进行应用或与其他材料进行复合制备复合材料，如碳纳米管薄膜、碳纳米管纤维、石墨烯纸以及石墨烯海绵等。

纳米纤维材料如碳纳米管纤维是碳纳米管的一种宏观材料，具有高比模量、比强度、柔韧性的特点，有望未来可以替代碳纤维制备高强度树脂基复合材料。常用的制备碳纳米管纤维的技术主要有阵列抽丝法、薄膜扭滚法、气凝胶纺丝法以及溶液纺丝法等。其中，溶液纺丝法具有原料可控、设备简单、操作容易等特点，更重要的是容易实现多组分复合纤维的制备，但是现有的溶液纺丝法制备碳纳米管纤维体系制备的碳纳米管/石墨烯复合纤维强度低，尤其是石墨烯比例较高时。因此，提供一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法，来解决现有纺丝原液的稳定性和分散效果，实现纺丝过程中连续且均匀出丝是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决现有制备碳纳米管/石墨烯复合纤维纺丝原液的稳定性和分散效果，实现纺丝过程中连续且均匀出丝的问题，提供一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法。

本发明的技术方案：

一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将多壁碳纳米管和石墨烯加入到海藻酸钠水溶液中，获得分散均匀的碳纳米管/石墨烯悬浮液；

步骤2，将步骤1获得的碳纳米管/石墨烯悬浮液置于注射泵中，以40-70mL/h的速度注射到旋转的氯化钙的乙醇水溶液中，得到黑色柔性的湿态的碳纳米管/石墨烯复合纤维；

步骤3，将步骤1获得的碳纳米管/石墨烯复合纤维依次经过去离子水和乙醇洗涤，室温下干燥，获得黑色的碳纳米管/石墨烯复合纤维。

进一步限定，步骤1获得的碳纳米管/石墨烯悬浮液中多壁碳纳米管和石墨烯的总质量与去离子水的体积比为16mg：1mL。

进一步限定，步骤1获得的碳纳米管/石墨烯悬浮液中多壁碳纳米管和石墨烯的总质量与海藻酸钠质量比为(1-4)：1。

更进一步限定，步骤1获得的碳纳米管/石墨烯悬浮液中多壁碳纳米管和石墨烯的总质量与海藻酸钠质量比为3：1。

进一步限定，碳纳米管/石墨烯悬浮液中多壁碳纳米管与石墨烯的质量比为(0.5-2)：1。

更进一步限定，步骤1获得的碳纳米管/石墨烯悬浮液中多壁碳纳米管与石墨烯的质量比为1：1。

进一步限定，步骤1的具体操作过程为：