一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法，用于碳納米管纖維的抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管纖維是碳納米管沿軸向排布形成的宏觀材料，具有強(qiáng)度高、比重輕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)的特點(diǎn)，在航空航天、能源、國(guó)防以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景。將碳納米管的優(yōu)異特性應(yīng)用到宏觀碳納米纖維尺度是一個(gè)重要研究方向。
[0003]但現(xiàn)有技術(shù)中，將碳納米管的優(yōu)異特性應(yīng)用到宏觀碳納米纖維尺度時(shí)，無(wú)法保持優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種高抗拉強(qiáng)度碳納米纖維的制備方法，該方法解決了碳納米管宏觀尺度抗拉應(yīng)用難的問(wèn)題，將碳納米管的優(yōu)異抗拉性能從微觀尺度宏觀化，為商業(yè)化應(yīng)用提供了有效途徑。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法，包括如下步驟:
[0006]步驟一:制備碳納米管初品；
[0007]步驟二:碳納米管功能化；
[0008]將碳納米管初品通過(guò)乙二胺或丙二胺進(jìn)行等離子化處理以得到功能化碳納米管，等離子化處理過(guò)程以氦氣或氮?dú)鉃檩d氣，功能化碳納米管通過(guò)機(jī)械牽引加捻制備成功能化碳納米管纖維；
[0009]步驟三:碳納米管纖維交聯(lián)反應(yīng)；
[0010]將功能化碳納米管纖維浸入縮水甘油胺和有機(jī)稀釋劑的混合液，在常溫下交聯(lián)8-24h ；
[0011]步驟四:在50°C -200°C的條件下，去除有機(jī)稀釋劑，得到高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維。優(yōu)選 50°C-60°C。
[0012]前述的一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法，在步驟一中，碳納米管初品的生長(zhǎng)條件為:氬氣氛圍，壓力是700-740mmHg，升溫到350-450 °C，按照乙烯流量0.100-0.500L/min和氬氣流量0.500-2.0OOL/min維持10-50分鐘；生長(zhǎng)完成后在水蒸氣流量0.010-0.050L/min和氬氣流量0.500-3.0OOL/min條件下冷卻至室溫。
[0013]前述的一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法，在步驟二中，所述的縮水甘油胺由以下一個(gè)或多個(gè)組分構(gòu)成:對(duì)氨基苯酚環(huán)氧樹(shù)脂、4，4-二氨基二苯甲烷環(huán)氧樹(shù)脂、三環(huán)氧基氨基苯酚、三環(huán)氧丙基異氰尿酸酯；所述稀釋劑選用二縮水甘油醚、多縮水甘油醚、環(huán)氧丙烷丁基醚、環(huán)氧丙烷苯基醚、二環(huán)氧丙烷乙基醚、三環(huán)氧丙烷丙基醚、二甲苯、甲苯、苯或丙酮的一種或幾種，所述的縮水甘油胺占縮水甘油胺和稀釋劑的混合液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% -10%。
[0014]前述的一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法，在步驟二中，用氦氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w來(lái)創(chuàng)建大氣壓等離子體，氦氣流速為10.0-40.0L/min ;氮?dú)庖?.2-0.6L/min流速通過(guò)鼓泡器將乙二胺以蒸氣的形式注入等離子體射流，到達(dá)碳納米管纖維表面。
[0015]前述的一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法，在步驟三和步驟四中，還設(shè)有如下步驟:將交聯(lián)后的碳納米管纖維放入苯溶液中洗滌去除表面的縮水甘油胺，洗滌后將碳納米管纖維放入固化劑中固化ι-1oh。
[0016]前述的一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法，所述的固化劑為脂肪胺、脂環(huán)胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、樹(shù)脂類(lèi)、叔胺的一種或幾種。固化劑優(yōu)選為乙二胺、丙二胺和多胺，以小分子為宜。固化劑的作用是將過(guò)量的縮水甘油胺的環(huán)氧基團(tuán)打開(kāi)，以進(jìn)一步提高碳納米管纖維強(qiáng)度。
[0017]前述的一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法，在步驟二中，加捻角度為10-20度，加捻角度為單位長(zhǎng)度纖維在截面上相對(duì)回轉(zhuǎn)的角度位移；在步驟三中，一個(gè)縮水甘油胺分子可連接一個(gè)或多個(gè)胺官能團(tuán)。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:使用氦/氮的等離子體來(lái)創(chuàng)建在碳納米管表面上活躍的連接點(diǎn)，與乙二胺分子成鍵，從而得到胺功能化的碳納米管。隨后，這些胺官能團(tuán)與環(huán)氧樹(shù)脂相交聯(lián)，理論上來(lái)說(shuō)，在碳納米管上，一個(gè)縮水甘油胺分子可連接一個(gè)或多個(gè)胺官能團(tuán)，加擰一定的角度進(jìn)一步加強(qiáng)拉伸強(qiáng)度；采用縮水甘油胺和稀釋劑的混合液，有助于縮水甘油胺的表面環(huán)氧基團(tuán)接觸到胺功能化的碳納米管的胺基并實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，提高交聯(lián)率；對(duì)碳納米管纖維進(jìn)行固化，進(jìn)一步提高抗拉強(qiáng)度。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明的一種高抗拉強(qiáng)度碳納米管纖維化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為碳納米管功能化裝置圖；
[0021]圖3為實(shí)施例一交聯(lián)前(左)后(右)碳納米管纖維圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023]碳納米管初品的生長(zhǎng)條件為:氬氣氛圍，壓力是700-740mmHg，升溫到350-450°C，按照乙烯流量0.100-0.500L/min和氬氣流量0.500-2.0OOL/min維持10_50min ;生長(zhǎng)完成后在水蒸氣流量0.010-0.050L/min和氬氣流量0.500-3.0OOL/min條件下冷卻至室溫。
[0024]將由氮?dú)?也可以為氦氣)帶出的乙二胺蒸汽(或丙二胺蒸汽)進(jìn)行等離子化，將碳納米管初品功能化處理，使得碳納米管表面具有活性基團(tuán)胺基。實(shí)施碳納米管纖維功能化裝置參見(jiàn)圖2。開(kāi)啟真空栗，打開(kāi)閥門(mén)，將管道內(nèi)抽成真空維持30min以上。關(guān)閉真空栗前閥門(mén)，停止真空栗，將管線(xiàn)上連接氮?dú)忾y門(mén)打開(kāi)，打開(kāi)連接鼓泡器閥門(mén)，接通恒溫50°C的盛有乙二胺鼓泡器。打開(kāi)鼓泡器出口閥，接通與等離子裝置的連接，通過(guò)氮?dú)鈱⒁叶氛羝麕氲入x子裝置，對(duì)碳納米管初品進(jìn)行功能化處理。
[0025]將功能化后的碳納米管通過(guò)械牽引加捻收絲，形成碳納米管纖維。用稀釋后的縮水甘油胺作為交聯(lián)化試劑進(jìn)行碳納米管交聯(lián)反應(yīng)(圖1)。反應(yīng)完畢后，對(duì)碳納米管纖維進(jìn)行固化，加熱會(huì)發(fā)出稀釋劑，即得到高強(qiáng)度碳納米管纖維。圖3為交聯(lián)前后碳納米管纖維表面形貌SEM圖。
[0026]實(shí)施例一
[0027]碳納米管生長(zhǎng)條件，氬氣氛圍，壓力是740mmHg，升溫到400°C，按照流量乙烯0.300L/min，氬氣1.0OOL/min維持30min ;完成生長(zhǎng)后按水蒸氣0.030L/min，氬氣2.000L/min流量冷卻至室溫。
[0028]以氦氣作為載氣，將所制備碳納米管初品通過(guò)丙二胺等離子體進(jìn)行功能化處理，將功能化碳納米管通過(guò)機(jī)械牽引加捻(采用加捻機(jī))制備成功能化碳納米管纖維，加捻角度為15度。
[0029]將功能化碳納米管纖維浸入含5% 4，4- 二氨基二苯甲烷環(huán)氧樹(shù)脂的甲苯溶液，百分比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，常溫下進(jìn)行碳納米管間交聯(lián)反應(yīng)12小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后將碳納米管纖維在甲苯溶劑中洗滌除去外表面環(huán)氧樹(shù)脂。將制備完成的碳納米管纖維放入丙二胺溶液中固化4h，再將制備完成的碳納米管纖維置于50°C干燥相中保持1