本發(fā)明涉及碳納米復(fù)合材料，特別是涉及一種碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法及連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、碳納米管(cnt)具有的獨(dú)特的一維中空線性結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能。由其組裝而成的宏觀體(如薄膜、窄帶、纖維)在裝備制造、功能復(fù)合等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而，碳納米管宏觀體由于存在納米孔隙較多，管間作用力弱等問(wèn)題，其性能弱于單根碳納米管。以碳納米管纖維為例，目前報(bào)道的纖維的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)不及碳納米管本身的強(qiáng)度，存在巨大的提升空間。

2、為解決上述問(wèn)題，研究人員將聚合物引入碳納米管宏觀體，制備了聚合物/碳納米管復(fù)合材料。目前，聚合物/碳納米管復(fù)合材料的制備方法主要包括噴涂法、浸泡法、原位復(fù)合法、電解膨脹復(fù)合法等。其中：噴涂法通過(guò)將聚合物噴涂在碳納米管上制備復(fù)合材料；浸泡法通過(guò)將碳納米管聚集體浸泡在聚合物溶液后，經(jīng)過(guò)處理得到復(fù)合材料；原位復(fù)合法主要是在碳納米管宏觀體的生產(chǎn)過(guò)程中滴加聚合物溶液，使其浸潤(rùn)在碳納米管內(nèi)部得到復(fù)合材料；電解膨脹復(fù)合法主要是通過(guò)電解析氫使碳納米管纖維膨脹的方式，使聚合物滲入碳納米管孔隙內(nèi)制備復(fù)合材料。

3、但是，現(xiàn)有的聚合物/碳納米管復(fù)合材料的制造技術(shù)存在一定的不足之處：

4、通過(guò)噴涂、浸泡的方式制備時(shí)，聚合物往往難以進(jìn)入碳納米管內(nèi)部的納米級(jí)孔隙中，導(dǎo)致復(fù)合不均勻，且連續(xù)化制備較難。如cn110713615a公開(kāi)的一種碳納米管-聚酰亞胺復(fù)合薄膜的制備方法，將熔融態(tài)的聚酰亞胺依照一定的流量噴涂在連續(xù)碳納米管薄膜上，后加壓制備碳納米管-聚酰亞胺復(fù)合薄膜，但該方法無(wú)法使聚合物滲入碳納米管內(nèi)部的納米孔隙，存在復(fù)合不均勻的問(wèn)題。cn107828164a公開(kāi)了一種碳納米管復(fù)合材料的制備方法，通過(guò)將碳納米管膜放入含有膨松劑的聚合物溶液內(nèi)，充分浸泡后固化成型，但該方法存在聚合物應(yīng)用范圍受限和不能連續(xù)化制備的問(wèn)題。

5、共混法，存在碳納米管使用量低，且不能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的連續(xù)批量制備的問(wèn)題。如cn?112898739a公開(kāi)了一種以導(dǎo)電聚合物和碳納米管為原料制備復(fù)合薄膜的制備方法，將碳納米管與聚合物在強(qiáng)酸中共混后抽濾、涂膜、烘干后制備復(fù)合薄膜，然而該方法需要經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的連續(xù)批量制備。

6、原位復(fù)合法制備聚合物/碳納米管復(fù)合材料存在生產(chǎn)局限性，如cn?101967699a公開(kāi)了一種高性能碳納米管復(fù)合纖維的制備方法：該方法將聚酰胺酸滴入從可紡絲碳納米管陣列中拉出的碳納米管薄膜后加捻、固化后制備碳納米管-聚酰亞胺復(fù)合纖維。該方法需要和纖維生產(chǎn)過(guò)程同步進(jìn)行，存在生產(chǎn)局限性，且浸潤(rùn)過(guò)程中聚合物難以均勻滲透碳納米管內(nèi)部孔隙，造成纖維復(fù)合不均勻。

7、電解膨脹復(fù)合法等復(fù)合材料制備方法存在聚合物選用范圍受限的問(wèn)題，如cn112301462b公開(kāi)了一種碳納米管復(fù)合纖維的制備方法。該方法采用了電解質(zhì)析氫膨脹的方式使碳納米管大幅度膨脹，同時(shí)將水溶性聚合物均勻滲透在碳納米管內(nèi)部后通過(guò)連續(xù)牽伸復(fù)合的方式制備碳納米管-聚合物復(fù)合纖維；但是該方法主要在含有聚合物的酸性電解質(zhì)溶液中進(jìn)行，可選用的聚合物以水溶性熱塑性聚合物為主，應(yīng)用范圍有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法及連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中高分子聚合物與碳納米管無(wú)法均勻連續(xù)復(fù)合、聚合物應(yīng)用范圍窄的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法，包括以下步驟：

3、1)制備高分子聚合物-質(zhì)子化強(qiáng)酸溶液；

4、2)將碳納米管纖維置于所述高分子聚合物-質(zhì)子化強(qiáng)酸溶液中進(jìn)行復(fù)合處理，獲得質(zhì)子化復(fù)合物；

5、3)將所述質(zhì)子化復(fù)合物進(jìn)行致密化處理，獲得前體纖維；

6、4)將所述前體纖維進(jìn)行清洗，獲得碳納米管/高分子復(fù)合纖維。

7、本發(fā)明還提供一種適于上述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)沿連續(xù)生產(chǎn)路線包括連接的：放卷裝置、復(fù)合處理裝置、致密化處理裝置、清洗裝置和收卷裝置；

8、所述放卷裝置至少用于將碳納米管纖維引入所述復(fù)合處理裝置中，并調(diào)控碳納米管纖維通過(guò)所述復(fù)合處理裝置的速度；

9、所述復(fù)合處理裝置至少用于容置高分子聚合物-質(zhì)子化強(qiáng)酸溶液，使所述碳納米管纖維與所述高分子聚合物-質(zhì)子化強(qiáng)酸溶液接觸；

10、所述凝固浴裝置至少用于容置致密化處理所用的溶液，使所述質(zhì)子化復(fù)合物的纖維在致密化處理所用的溶液中收縮致密；

11、所述清洗浴裝置至少用于容置清洗處理所用的溶液，以除去質(zhì)子化強(qiáng)酸和/或致密化處理所用的溶液；

12、所述收卷裝置至少用于將復(fù)合后的碳納米管/高分子復(fù)合纖維連續(xù)收集。

13、本發(fā)明還提供一種由上述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法或由上述的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)制備的碳納米管/高分子復(fù)合纖維。

14、如上所述，本發(fā)明的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法及連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，具有以下有益效果：

15、1、本發(fā)明的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法中，在碳納米管纖維與高分子聚合物的復(fù)合過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行質(zhì)子化強(qiáng)酸對(duì)碳納米管纖維的質(zhì)子化作用，碳納米管纖維由于質(zhì)子化作用而膨脹，使得聚合物進(jìn)入膨脹后的碳納米管纖維內(nèi)部的大量納米孔隙之中，實(shí)現(xiàn)聚合物與碳納米管纖維之間的完全均勻復(fù)合，然后經(jīng)過(guò)致密化處理使膨脹的復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)再次致密化，最后經(jīng)過(guò)清洗、高溫處理得到力學(xué)性能優(yōu)良的碳納米管/高分子復(fù)合纖維。

16、2、本發(fā)明的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法中由于碳納米管纖維的膨脹過(guò)程和聚合物與碳納米管復(fù)合速度極快，因此該過(guò)程不需要額外的處理，并且有助于實(shí)現(xiàn)聚合物/碳納米管復(fù)合材料的連續(xù)批量化制備，帶來(lái)了非常顯著的制備效率優(yōu)勢(shì)和性能提升優(yōu)勢(shì)。

17、3、本發(fā)明的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法簡(jiǎn)便快捷，具有節(jié)能高效的特點(diǎn)。

18、4、本發(fā)明的碳納米管/高分子復(fù)合纖維的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，通過(guò)放卷裝置與復(fù)合處理裝置、凝固浴裝置、清洗浴裝置及收卷裝置結(jié)合實(shí)現(xiàn)了通過(guò)連續(xù)收、放卷裝置使碳納米管纖維與高分子溶液連續(xù)批量化復(fù)合，并通過(guò)復(fù)合處理裝置使復(fù)合和質(zhì)子化過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，然后經(jīng)過(guò)凝固浴裝置、清洗浴裝置使再次致密化，制備獲得力學(xué)性能優(yōu)良的碳納米管/高分子復(fù)合纖維材料。

技術(shù)特征：

1.一種碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法，其特征在于，所述高分子聚合物-質(zhì)子化強(qiáng)酸溶液的制備包括：將聚合物加入質(zhì)子化強(qiáng)酸中，60℃～100℃下混合均勻，得到聚合物-質(zhì)子化強(qiáng)酸溶液；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法，其特征在于，所述聚合物選自聚酰亞胺、聚酰胺酸中的任意一種或多種；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法，其特征在于，步驟2)中所述復(fù)合處理的溫度為15～35℃；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法，其特征在于，步驟4)中所述清洗后還包括高溫處理步驟。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法，其特征在于，所述高溫處理的溫度為200～400℃；

7.一種適用于權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)沿連續(xù)生產(chǎn)路線包括連接的：放卷裝置(1)、復(fù)合處理裝置(2)、凝固浴裝置(3)、清洗浴裝置(4)和收卷裝置(5)；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括高溫處理裝置(6)，所述高溫處理裝置(6)與所述收卷裝置(5)連接，所述高溫處理裝置(6)用于使前體纖維內(nèi)聚合物的交聯(lián)固化；

9.一種由權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法或由權(quán)利要求7～8任一項(xiàng)所述的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)制備的碳納米管/高分子復(fù)合纖維。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維，其特征在于，所述碳納米管/高分子復(fù)合纖維包括碳納米管本體以及復(fù)合于所述碳納米管本體中的高分子復(fù)合相；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法，包括步驟：制備高分子聚合物?質(zhì)子化強(qiáng)酸溶液；將碳納米管纖維置于所述高分子聚合物?質(zhì)子化強(qiáng)酸溶液中進(jìn)行復(fù)合處理，獲得質(zhì)子化復(fù)合物；將所述質(zhì)子化復(fù)合物進(jìn)行致密化處理，獲得前體纖維；將所述前體纖維進(jìn)行清洗，獲得碳納米管/高分子復(fù)合纖維；本發(fā)明還提供一種適用于所述的碳納米管/高分子復(fù)合纖維制備方法的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)；本發(fā)明的制備方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)聚酰亞胺與碳納米管間連續(xù)均勻復(fù)合的問(wèn)題，且其操作和調(diào)控相比現(xiàn)有技術(shù)更簡(jiǎn)單、方便、快捷，通過(guò)較為簡(jiǎn)便的多步處理即可制備得到高性能的復(fù)合纖維。

技術(shù)研發(fā)人員：李清文,李翔宇,張永毅,張麗雯
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上?？萍即髮W(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/24