一种碳纳米管纤维制备方法

技术领域

本发明涉及碳纳米管技术领域，具体为一种碳纳米管纤维制备方法。

背景技术

碳纳米管具有完美的一维管式结构，拥有低密度，高力学强度，导电导热性好等优异的物理性能，自被发现以来广受关注。然而，要实现碳纳米管的实际应用，通常需将其组装成宏观结构，如：纤维、薄膜等。其中，碳纳米管纤维是成千上万单根碳纳米管沿其轴向排布形成的宏观连续纤维，具有轻质、高强高导电、多功能性的特点。碳纳米管纤维增强的复合材料对碳纳米管纤维本身的力学性能要求极高，同时要求碳纳米管的结晶度高、垂直度好、碳纳米管之间的作用力适中、大面积尺寸生长均一等。干法制备的碳纳米管纤维能够达到相应的力学指标，干法制备碳纳米管纤维，由阵列碳纳米管直接拉丝纺织制备碳纳米管纤维。具有可纺性的垂直阵列碳纳米管是干法制备碳纳米管纤维的重要基础，可纺的量产级别碳纳米管阵列，需采用化学气相沉积方法制备。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种碳纳米管纤维制备方法，解决了致密化程度以及表面光洁无暇程度不足的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种碳纳米管纤维制备方法，包括以下步骤：

S1.选取腈纶纤维1份、沥青纤维1份、聚丙烯腈纤维1-2份，形成混合纤维；

S2.混合纤维与溶剂混合，然后纺成纤维，然后将这些纤维洗涤并拉伸，在拉伸后通过梳理将长度较短的纤维去除，并分为10-15K的小丝束；

S3.将纤维在空气中加热到220-280℃，时间为30分钟到2小时，气流速度为2m/s，加热过程迫使碳原子从空气中吸收氧原子，并将分子重新排列成更热稳定的键合模式；

S4.将S3制备完成的小丝束放置在炭化炉内部，并在无氧的情况下加热至800-2800℃，保持3min，将并使炉内压力为大气压的2倍；

S5.纤维浸入二氧化碳、空气、臭氧中或将其浸入硝酸或次氯酸钠等液体中进行氧化，氧化时间为5min；

S6.在表面氧化后在1min之内对纤维进行上浆，上浆材料需要与复合结构的黏合剂相容，涂层材料为聚酯，尼龙，氨基甲酸酯或环氧树脂其中一种

S7.碳纤维上浆后，进行干燥再缠绕到线轴上，再装入纺纱机中，然后捻成各种尺寸的纱线。

优选的，所述溶剂包括水溶剂、油剂聚氧化乙烯，直接配制水溶性胶黏剂浓度为1％～5％。

优选的，S3中所述键合模式为梯形键模式，所述碳纤维在碳化之前进行将其线性原子键更改为梯形键来使其具有更高的热稳定性，S3所述加热温度必须仔细控制以防止纤维过热，测量频率为10次/min。

优选的，S2中所述小丝束为单束数量1-1.5万根，按纤维数量不同可分为小丝束和大丝束，一般将丝束数量小于24K的碳纤维称为小丝束，24K以上的为大丝束，小丝束碳纤维性能优异、产量低、价格较高。

优选的，所述炭化炉中氧气的缺乏阻止了纤维在如此高的热量下燃烧，在上述高温下，纤维排出其非碳原子，碳原子形成紧密结合的碳晶体，碳晶体平行于碳纤维的长轴排列。

优选的，所述炭化炉分为低温炭化炉800-1000℃和高温炭化炉2000-2800℃两种，先经过低温炭化炉，再进入高温炭化炉，两者形成温度梯度，以适应纤维结构的转化。

优选的，所述氧化后将纤维包起来，以防止在缠绕到线轴上或机织成织物时损坏。

优选的，S4中所述碳化将耐热梯形结构的有机预氧丝经过高温热处理即可转化为含碳量大于95％无机碳纤维。

(三)有益效果

本发明提供了一种碳纳米管纤维制备方法。具备以下有益效果：

1、通过天然纤维与人造纤维的混合，增加纤维丝的抗拉属性以及通过混合完成后对较短的纤维进行去除，便于统一操作即可增加致密化程度以及表面的光洁性能。

2、通过温度不同的与热处理，通过较小的线束并快速的对表面进行上浆处理，避免纤维丝的损坏，增加纤维丝的强度。

具体实施方式

对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本发明实施例提供一种碳纳米管纤维制备方法，包括以下步骤：S1.选取腈纶纤维1份、沥青纤维1份、聚丙烯腈纤维1份，形成混合纤维，S2.混合纤维与溶剂混合，然后纺成纤维，然后将这些纤维洗涤并拉伸，在拉伸后通过梳理将长度较短的纤维去除,并分为10K的小丝束，所述溶剂包括水溶剂、油剂聚氧化乙烯，直接配制水溶性胶黏剂浓度为1％～5％，S3.将纤维在空气中加热到220-280℃，时间为30分钟到2小时，气流速度为2m/s，加热过程迫使碳原子从空气中吸收氧原子，并将分子重新排列成更热稳定的键合模式，键合模式为梯形键模式，所述碳纤维在碳化之前进行将其线性原子键更改为梯形键来使其具有更高的热稳定性，S3所述加热温度必须仔细控制以防止纤维过热，测量频率为10次/min，S4.将S3制备完成的小丝束放置在炭化炉内部，并在无氧的情况下加热至800-2800℃，保持3min，将并使炉内压力为大气压的2倍，小丝束为单束数量1-1.5万根，按纤维数量不同可分为小丝束和大丝束，一般将丝束数量小于24K的碳纤维称为小丝束，24K以上的为大丝束，小丝束碳纤维性能优异、产量低、价格较高，所述炭化炉中氧气的缺乏阻止了纤维在如此高的热量下燃烧，在上述高温下，纤维排出其非碳原子，碳原子形成紧密结合的碳晶体，碳晶体平行于碳纤维的长轴排列，所述炭化炉分为低温炭化炉800-1000℃和高温炭化炉2000-2800℃两种，先经过低温炭化炉，再进入高温炭化炉，两者形成温度梯度，以适应纤维结构的转化，S4中所述碳化将耐热梯形结构的有机预氧丝经过高温热处理即可转化为含碳量大于95％无机碳纤维，S5.纤维浸入二氧化碳、空气、臭氧中或将其浸入硝酸或次氯酸钠等液体中进行氧化，氧化时间为5min，碳化过程使纤维具有光滑的表面，该表面不能与用于制造复合产品的环氧树脂和其他材料很好地黏合，表面被轻微氧化，氧化使表面具有更好的化学键合特性，同时还蚀刻了表面以使化学物质更好地黏附于表面，S6.在表面氧化后在1min之内对纤维进行上浆，上浆材料需要与复合结构的黏合剂相容，涂层材料为聚酯，尼龙，氨基甲酸酯或环氧树脂其中一种，所述氧化后将纤维包起来，以防止在缠绕到线轴上或机织成织物时损坏，S7.碳纤维上浆后，进行干燥再缠绕到线轴上，再装入纺纱机中，然后捻成各种尺寸的纱线。

实施例二：

本发明实施例提供一种碳纳米管纤维制备方法，包括以下步骤：S1.选取腈纶纤维1份、沥青纤维1份、聚丙烯腈纤维2份，形成混合纤维，S2.混合纤维与溶剂混合，然后纺成纤维，然后将这些纤维洗涤并拉伸，在拉伸后通过梳理将长度较短的纤维去除,并分为15K的小丝束，所述溶剂包括水溶剂、油剂聚氧化乙烯，直接配制水溶性胶黏剂浓度为1％～5％，S3.将纤维在空气中加热到220-280℃，时间为30分钟到2小时，气流速度为2m/s，加热过程迫使碳原子从空气中吸收氧原子，并将分子重新排列成更热稳定的键合模式，键合模式为梯形键模式，所述碳纤维在碳化之前进行将其线性原子键更改为梯形键来使其具有更高的热稳定性，S3所述加热温度必须仔细控制以防止纤维过热，测量频率为10次/min，S4.将S3制备完成的小丝束放置在炭化炉内部，并在无氧的情况下加热至800-2800℃，保持3min，将并使炉内压力为大气压的2倍，小丝束为单束数量1-1.5万根，按纤维数量不同可分为小丝束和大丝束，一般将丝束数量小于24K的碳纤维称为小丝束，24K以上的为大丝束，小丝束碳纤维性能优异、产量低、价格较高，所述炭化炉中氧气的缺乏阻止了纤维在如此高的热量下燃烧，在上述高温下，纤维排出其非碳原子，碳原子形成紧密结合的碳晶体，碳晶体平行于碳纤维的长轴排列，所述炭化炉分为低温炭化炉800-1000℃和高温炭化炉2000-2800℃两种，先经过低温炭化炉，再进入高温炭化炉，两者形成温度梯度，以适应纤维结构的转化，S4中所述碳化将耐热梯形结构的有机预氧丝经过高温热处理即可转化为含碳量大于95％无机碳纤维，S5.纤维浸入二氧化碳、空气、臭氧中或将其浸入硝酸或次氯酸钠等液体中进行氧化，氧化时间为5min，碳化过程使纤维具有光滑的表面，该表面不能与用于制造复合产品的环氧树脂和其他材料很好地黏合，表面被轻微氧化，氧化使表面具有更好的化学键合特性，同时还蚀刻了表面以使化学物质更好地黏附于表面，S6.在表面氧化后在1min之内对纤维进行上浆，上浆材料需要与复合结构的黏合剂相容，涂层材料为聚酯，尼龙，氨基甲酸酯或环氧树脂其中一种，所述氧化后将纤维包起来，以防止在缠绕到线轴上或机织成织物时损坏，S7.碳纤维上浆后，进行干燥再缠绕到线轴上，再装入纺纱机中，然后捻成各种尺寸的纱线。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。