一种高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维及制备方法

技术领域

本发明涉及聚乙烯醇技术领域，具体为一种高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维及制备方法。

背景技术

聚乙烯醇具有良好的成膜性、热稳定性、耐溶剂性和生物相容性，并且力学性能稳定，其性能介于橡胶和塑料之间，聚乙烯醇纤维是以聚乙烯醇为原料纺丝制得的合成纤维，强度高、模量大、耐磨好、耐候性强，无毒无污染、在纤维织布、包装材料、骨架材料、胶管材料、无纺布、造纸等方面具有重要的使用价值，因此进一步提高聚乙烯醇的机械性能，以及赋予其导热性、阻燃性等新功能，成为研究热点。

碳纳米管是由多层石墨片同轴卷绕而成，具有许多优异的力学、电学和热学性能，是高分子材料最理想的功能型填料之一，但目前碳纳米管作为增强填料，主要是通过将其与聚乙烯醇等高分子材料简单物理混合，复合技术单一，这样会导致碳纳米管与聚乙烯醇的界面作用力和结合力很弱，并且高比表面能的碳纳米管容易发生团聚现象，因此无法完全发挥出碳纳米管对聚乙烯醇的增强效果。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维及制备方法，具有更高的拉伸强度和杨氏模量等机械性能，并且导热性能更强。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维，所述高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维的制备方法包括以下步骤：

(1)向锥形瓶中加入蒸馏水和碳纳米管，超声分散后加入亚硝酸异戊酯和5-氨基间苯二甲酸，加热至80-100℃，回流反应20-30h，离心分离、乙醇和蒸馏水洗涤，制得羧基化碳纳米管。

(2)向反应瓶中加入二甲亚砜溶剂、羧基化碳纳米管和聚乙烯醇，超声分散后加入缩合剂和催化剂，加热至40-70℃，反应6-12h，加入甲醇进行沉淀，过滤、甲醇和丙酮洗涤并干燥，得到聚乙烯醇接枝碳纳米管。

(3)配置质量分数为6-10％的聚乙烯醇接枝碳纳米管的纺丝液，通过静电纺丝装置，进行静电纺丝过程，制得高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维。

优选的，所述步骤(1)中的碳纳米管、亚硝酸异戊酯和5-氨基间苯二甲酸的质量比为10:55-100:40-80。

优选的，所述步骤(2)中的缩合剂为二环己基碳二亚胺，催化剂为4-二甲氨基吡啶。

优选的，所述步骤(2)中的羧基化碳纳米管、聚乙烯醇、二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶的质量比为0.3-1.5:100:20-35:3-6。

优选的，所述步骤(3)中的静电纺丝装置包括接收板，接收板活动连接有转动导轮，转动导轮活动连接有螺杆，静电纺丝装置上方固定连接有支撑块，支撑块上方固定连接有注射器，注射器内部设置有分散液，注射器活动连接有活塞，注射器下方固定连接有纺丝针头。

优选的，所述步骤(3)中的静电纺丝过程中控制纺丝电压为18-22Kv，纺丝针头与接收板的距离为15-20cm，纺丝流速为0.4-0.8mL/h。

(三)有益的技术效果

与现有技术相比，本发明具备以下化学实验原理和有益技术效果：

该一种高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维，亚硝酸异戊酯和5-氨基间苯二甲酸的氨基进行重氮化反应，得到二甲酸基苯重氮盐中间体，苯环上的重氮官能团受热不稳定，脱去后形成碳正离子，碳正离子进攻碳纳米管进行反应，从而得到羧基化碳纳米管，在碳纳米管的基体上均匀键合了大量的芳羧基官能团，羧基进一步在二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶的活化作用下，与聚乙烯醇的羟基发生酯化反应，从而将碳纳米管和聚乙烯醇通过化学键的连接有机结合，再通过静电纺丝法，得到碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维，在化学键的连接作用下，显著提高了碳纳米管和聚乙烯醇纤维的界面作用力和结合力，使碳纳米管高度分散在聚乙烯醇纤维的基体中，避免了碳纳米管粒子之间的团聚，使聚乙烯醇纤维与碳纳米管之间产生良好的应力传递作用，从而大幅提高了聚乙烯醇纤维的拉伸强度和杨氏模量等机械性能，同时高度分散的碳纳米管在聚乙烯醇纤维中形成三维导热网络，从而提高了复合纤维的导热性能和导热性能。

附图说明

图1是静电纺丝装置结构示意图；

图2是接收板结构调节示意图。

1-静电纺丝装置；2-接收板；3-转动导轮；4-螺杆；5-支撑块；6-注射器；7-分散液；8-活塞；9-纺丝针头。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维，制备方法包括以下步骤：

(1)向锥形瓶中加入蒸馏水、质量比为10:55-100:40-80的碳纳米管、亚硝酸异戊酯和5-氨基间苯二甲酸，超声分散均匀，加热至80-100℃，回流反应20-30h，离心分离、乙醇和蒸馏水洗涤，制得羧基化碳纳米管。

(2)向反应瓶中加入二甲亚砜溶剂、质量比为0.3-1.5:100:20-35:3-6的羧基化碳纳米管、聚乙烯醇、缩合剂二环己基碳二亚胺和催化剂4-二甲氨基吡啶，超声分散均匀，加热至40-70℃，反应6-12h，加入甲醇进行沉淀，过滤、甲醇和丙酮洗涤并干燥，得到聚乙烯醇接枝碳纳米管。

(3)配置质量分数为6-10％的聚乙烯醇接枝碳纳米管的纺丝液，通过静电纺丝装置，进行静电纺丝过程，静电纺丝装置包括接收板，接收板活动连接有转动导轮，转动导轮活动连接有螺杆，静电纺丝装置上方固定连接有支撑块，支撑块上方固定连接有注射器，注射器内部设置有分散液，注射器活动连接有活塞，注射器下方固定连接有纺丝针头，控制纺丝电压为18-22Kv，纺丝针头与接收板的距离为15-20cm，纺丝流速为0.4-0.8mL/h，制得高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维。

实施例1

(1)向锥形瓶中加入蒸馏水、质量比为10:55:40的碳纳米管、亚硝酸异戊酯和5-氨基间苯二甲酸，超声分散均匀，加热至80℃，回流反应20h，离心分离、乙醇和蒸馏水洗涤，制得羧基化碳纳米管。

(2)向反应瓶中加入二甲亚砜溶剂、质量比为0.3:100:20:3的羧基化碳纳米管、聚乙烯醇、缩合剂二环己基碳二亚胺和催化剂4-二甲氨基吡啶，超声分散均匀，加热至40℃，反应6h，加入甲醇进行沉淀，过滤、甲醇和丙酮洗涤并干燥，得到聚乙烯醇接枝碳纳米管。

(3)配置质量分数为6％的聚乙烯醇接枝碳纳米管的纺丝液，通过静电纺丝装置，进行静电纺丝过程，静电纺丝装置包括接收板，接收板活动连接有转动导轮，转动导轮活动连接有螺杆，静电纺丝装置上方固定连接有支撑块，支撑块上方固定连接有注射器，注射器内部设置有分散液，注射器活动连接有活塞，注射器下方固定连接有纺丝针头，控制纺丝电压为18Kv，纺丝针头与接收板的距离为15cm，纺丝流速为0.4mL/h，制得高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维。

实施例2

(1)向锥形瓶中加入蒸馏水、质量比为10:65:50的碳纳米管、亚硝酸异戊酯和5-氨基间苯二甲酸，超声分散均匀，加热至90℃，回流反应30h，离心分离、乙醇和蒸馏水洗涤，制得羧基化碳纳米管。

(2)向反应瓶中加入二甲亚砜溶剂、质量比为0.6:100:25:4的羧基化碳纳米管、聚乙烯醇、缩合剂二环己基碳二亚胺和催化剂4-二甲氨基吡啶，超声分散均匀，加热至40℃，反应12h，加入甲醇进行沉淀，过滤、甲醇和丙酮洗涤并干燥，得到聚乙烯醇接枝碳纳米管。

(3)配置质量分数为10％的聚乙烯醇接枝碳纳米管的纺丝液，通过静电纺丝装置，进行静电纺丝过程，静电纺丝装置包括接收板，接收板活动连接有转动导轮，转动导轮活动连接有螺杆，静电纺丝装置上方固定连接有支撑块，支撑块上方固定连接有注射器，注射器内部设置有分散液，注射器活动连接有活塞，注射器下方固定连接有纺丝针头，控制纺丝电压为20Kv，纺丝针头与接收板的距离为20cm，纺丝流速为0.6mL/h，制得高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维。

实施例3

(1)向锥形瓶中加入蒸馏水、质量比为10:80:65的碳纳米管、亚硝酸异戊酯和5-氨基间苯二甲酸，超声分散均匀，加热至90℃，回流反应25h，离心分离、乙醇和蒸馏水洗涤，制得羧基化碳纳米管。

(2)向反应瓶中加入二甲亚砜溶剂、质量比为1:100:30:5的羧基化碳纳米管、聚乙烯醇、缩合剂二环己基碳二亚胺和催化剂4-二甲氨基吡啶，超声分散均匀，加热至60℃，反应8h，加入甲醇进行沉淀，过滤、甲醇和丙酮洗涤并干燥，得到聚乙烯醇接枝碳纳米管。

(3)配置质量分数为8％的聚乙烯醇接枝碳纳米管的纺丝液，通过静电纺丝装置，进行静电纺丝过程，静电纺丝装置包括接收板，接收板活动连接有转动导轮，转动导轮活动连接有螺杆，静电纺丝装置上方固定连接有支撑块，支撑块上方固定连接有注射器，注射器内部设置有分散液，注射器活动连接有活塞，注射器下方固定连接有纺丝针头，控制纺丝电压为20Kv，纺丝针头与接收板的距离为18cm，纺丝流速为0.6mL/h，制得高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维。

实施例4

(1)向锥形瓶中加入蒸馏水、质量比为10:100:80的碳纳米管、亚硝酸异戊酯和5-氨基间苯二甲酸，超声分散均匀，加热至100℃，回流反应30h，离心分离、乙醇和蒸馏水洗涤，制得羧基化碳纳米管。

(2)向反应瓶中加入二甲亚砜溶剂、质量比为1.5:100:35:6的羧基化碳纳米管、聚乙烯醇、缩合剂二环己基碳二亚胺和催化剂4-二甲氨基吡啶，超声分散均匀，加热至70℃，反应12h，加入甲醇进行沉淀，过滤、甲醇和丙酮洗涤并干燥，得到聚乙烯醇接枝碳纳米管。

(3)配置质量分数为10％的聚乙烯醇接枝碳纳米管的纺丝液，通过静电纺丝装置，进行静电纺丝过程，静电纺丝装置包括接收板，接收板活动连接有转动导轮，转动导轮活动连接有螺杆，静电纺丝装置上方固定连接有支撑块，支撑块上方固定连接有注射器，注射器内部设置有分散液，注射器活动连接有活塞，注射器下方固定连接有纺丝针头，控制纺丝电压为22Kv，纺丝针头与接收板的距离为20cm，纺丝流速为0.8mL/h，制得高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维。

对比例1

(1)向锥形瓶中加入蒸馏水、质量比为10:40:30的碳纳米管、亚硝酸异戊酯和5-氨基间苯二甲酸，超声分散均匀，加热至100℃，回流反应24h，离心分离、乙醇和蒸馏水洗涤，制得羧基化碳纳米管。

(2)向反应瓶中加入二甲亚砜溶剂、质量比为0.1:100:15:2的羧基化碳纳米管、聚乙烯醇、缩合剂二环己基碳二亚胺和催化剂4-二甲氨基吡啶，超声分散均匀，加热至70℃，反应12h，加入甲醇进行沉淀，过滤、甲醇和丙酮洗涤并干燥，得到聚乙烯醇接枝碳纳米管。

(3)配置质量分数为10％的聚乙烯醇接枝碳纳米管的纺丝液，通过静电纺丝装置，进行静电纺丝过程，静电纺丝装置包括接收板，接收板活动连接有转动导轮，转动导轮活动连接有螺杆，静电纺丝装置上方固定连接有支撑块，支撑块上方固定连接有注射器，注射器内部设置有分散液，注射器活动连接有活塞，注射器下方固定连接有纺丝针头，控制纺丝电压为20Kv，纺丝针头与接收板的距离为18cm，纺丝流速为0.6mL/h，制得高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维。

使用EP500E防护热板法导热系数仪，测试高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维的导热系数。

使用CMT-200型微机控制电子万能试验机，测试高导热的碳纳米管-聚乙烯醇复合纤维的拉伸强度和杨氏模量。