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碳纳米管复合纤维的研究进展
摘要:本文主要综述了碳纳米管复合纤维材料的制备方法,介绍了碳纳米管复合纤维材料的优异性能,展望了碳纳米管复合纤维的应用前景。
关键词:碳纳米管;复合纤维;制备方法;性能
Ts),是一种具有特殊结构、直径在10μm~100μm的一维纳米材料,有着优良的力学性能和电学性能。目前,全球对具有特殊或者改进功能的新型纤维的需求不断增加,Ts是长径比非常大的准一维纳米纤维状材料,Ts沿纤维轴向取向,从而起到微纤增强的作用。Ts增强聚丙烯(PP)纤维[1]和莱赛尔纤维[2],使其强度和模量都得到很大的提高。
1 碳纳米管复合纤维的制备方法
如何制备高机械性能和优良光电性能的碳纳米管复合纤维引起了材料界的广泛关注,Ts复合纤维有两种常用的方法:原位聚合和物理共混。根据纺丝方法的不同分为熔融纺丝法、溶液纺丝法、电纺法等多种方法。Ts复合纤维的制备方法。
原位聚合法制备碳纳米管复合纤维
Ts的π键,使其参与聚合反应而达到与有机相良好的相容性。Ts,在原液中得到较好的分散,Ts的加入量和加入时间对聚合物的性能有很大的影响。
目前贾志杰[3-4]等采用改良原位聚合法来制备碳纳米管/尼龙6复合物,即使单体先聚合一段时间后,Ts加入到反应体系中,得到了机械性能较好的复合材料。
溶液作为溶剂,Ts在聚丙烯腈(PAN)中的有效分散,Ts/PAN复合材料纤维。为避免碳纳米管在原液中的团聚,Ts,其在水溶液中具有良好的分散性。Ts/PAN复合材料,碳纳米管在聚丙烯腈基体中能有效地分散,制备的原液具有很好的可纺性能[5]。
Ts与聚对苯撑苯并二恶唑纤维(PBO)的复合材料,Ts表面具有―COOH和―OH等极性官能团,Ts与PBO聚合物基体的相容性[6]。Ts能均匀地分散在聚合物基体中,加入5%的CNTs,Ts复合纤维的拉伸强度提高了50%,Ts表面的官能团和聚合物的官能团发生了化学反应所致,Ts含量为5% Ts复合纤维比PBO纤维有更好的耐高温性能[7]。
Ts复合材料
熔融纺丝法是常用的聚合物成纤加工方法,Ts复合材料,再经熔融纺丝制备复合纤维。
Ts方法源于现有技术,工艺比较简单,且成熟,纺丝可靠。但纺得的纤维含碳率很低,难以大幅提高纤维的机械性能,Ts,可改善纤维电导率,制备抗静电纺织品。
早在1999年碳纳米管复合纤维被成功研制[8]。将单壁碳纳米管分散到各向同性沥青的喹啉溶液中,除溶剂后,纺丝制成直径18
μm 的沥青原纤维,Ts质量百分含量不同时,其拉伸强度、模量、电导率均有不同程度的增加。
Haggen- Mueller[9] 通过熔融纺丝法制得的聚甲基丙烯酸酯/单壁碳纳米管复合纤维,其模量和强度也均有不同程度的增加。
Ts复合材料
溶液纺丝法用于不能采用熔融纺丝法成形的成纤聚合物,如PAN、PVA等。T复合材料溶液可直接纺丝制备纤维。
潘玮[10]Ts进行羧基化处理后与聚丙烯腈(PAN)进行共混,Ts/PAN导电纤维。结果表明:Ts的含量为5%时PAN纤维的强度、储存模量及玻璃化转变温度提高,断裂伸长率下降;Ts可以有效地提高纤维的导电性能,当含量为5%时,电导率可达10-3S/cm。
中科院化学所研究人员[11-12]以离子液体为介质,Ts的离子液体溶液,再通过干喷湿纺技术,以水为凝固浴,Ts复合纤维。据介绍,Ts进行先期表面改性,其中,Ts的分散剂。Ts在纤维素基体中的取向。和再生纤维相比,复合纤维的力学性能得到显著提高,同时又具有良好的高温模量保持率和较高的热烧蚀残炭率。该技术对于制备纤维素基碳纤维与功能性纤维素纤维,具有潜在的应用前景。
Ts复合材料
Ts/聚合物复合材料的一种简单易行的方法,是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝的加工技术,所得的纤维直径一般在数十纳米至几微米之间,比传统方法制得的纤维直径小几个数量级,是获得纳米尺寸长纤维的有效方法之一。在电纺中,Ts与聚合物溶液的导电性能不同,以及喷丝口处的高剪切作用,使CNTs沿纤维方向规则排列,Ts/聚合物复合纤维的制备。静电纺丝装置主要包括带有正负电极的高压电源、连有针头的注射器(高聚物溶液从注射器流向喷丝头)以及导电性的收集装置(收集任意取向或规整排列的纳米纤维)三个部分。在静电纺丝过程中,由于高聚物的类型不同,因而具有不同的表面剪切性能,从而可以获得具有高强、轻质、低孔隙率等特性的纤维毡,Ts在复合材料中的分散程度是研究的关键。通常情况下,可以通过加入表面活性剂,如:十二烷基硫酸钠和triton-X,使CNTs均匀分散于高聚物溶液中,以得到稳定均衡的纳米管悬浮液,但是,这种方法存在的问题是必须将表面活性剂从混合液中分离出来,