一種高抗拉強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度碳納米管纖維的制備方法，用于碳納米管纖維的抗拉強度增強，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，具有強度高、比重輕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)的特點，在航空航天、能源、國防以及國民經(jīng)濟領(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，無法保持優(yōu)異的抗拉強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種高抗拉強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乙二胺或丙二胺進行等離子化處理以得到功能化碳納米管，等離子化處理過程以氦氣或氮氣為載氣，功能化碳納米管通過機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，去除有機稀釋劑，得到高抗拉強度碳納米管纖維。優(yōu)選 50°C-60°C。
[0012]前述的一種高抗拉強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或多個組分構(gòu)成:對氨基苯酚環(huán)氧樹脂、4，4-二氨基二苯甲烷環(huán)氧樹脂、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)量分數(shù)為5% -10%。
[0014]前述的一種高抗拉強度碳納米管纖維的制備方法，在步驟二中，用氦氣和氮氣的混合氣體來創(chuàng)建大氣壓等離子體，氦氣流速為10.0-40.0L/min ;氮氣以0.2-0.6L/min流速通過鼓泡器將乙二胺以蒸氣的形式注入等離子體射流，到達碳納米管纖維表面。
[0015]前述的一種高抗拉強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、樹脂類、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量的縮水甘油胺的環(huán)氧基團打開，以進一步提高碳納米管纖維強度。
[0017]前述的一種高抗拉強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，加捻角度為單位長度纖維在截面上相對回轉(zhuǎn)的角度位移；在步驟三中，一個縮水甘油胺分子可連接一個或多個胺官能團。
[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/氮的等離子體來創(chuàng)建在碳納米管表面上活躍的連接點，與乙二胺分子成鍵，從而得到胺功能化的碳納米管。隨后，這些胺官能團與環(huán)氧樹脂相交聯(lián)，理論上來說，在碳納米管上，一個縮水甘油胺分子可連接一個或多個胺官能團，加擰一定的角度進一步加強拉伸強度；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)氧基團接觸到胺功能化的碳納米管的胺基并實現(xiàn)交聯(lián)，提高交聯(lián)率；對碳納米管纖維進行固化，進一步提高抗拉強度。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的一種高抗拉強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為實施例一交聯(lián)前(左)后(右)碳納米管纖維圖。
【具體實施方式】
[0022]結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0023]碳納米管初品的生長條件為: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]將由氮氣(也可以為氦氣)帶出的乙二胺蒸汽(或丙二胺蒸汽)進行等離子化，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胺基。實施碳納米管纖維功能化裝置參見圖2。開啟真空栗，打開閥門，將管道內(nèi)抽成真空維持30min以上。關(guān)閉真空栗前閥門，停止真空栗，將管線上連接氮氣閥門打開，打開連接鼓泡器閥門，接通恒溫50°C的盛有乙二胺鼓泡器。打開鼓泡器出口閥，接通與等離子裝置的連接，通過氮氣將乙二胺蒸汽帶入等離子裝置，對碳納米管初品進行功能化處理。
[0025]將功能化后的碳納米管通過械牽引加捻收絲，形成碳納米管纖維。用稀釋后的縮水甘油胺作為交聯(lián)化試劑進行碳納米管交聯(lián)反應(yīng)(圖1)。反應(yīng)完畢后，對碳納米管纖維進行固化，加熱會發(fā)出稀釋劑，即得到高強度碳納米管纖維。圖3為交聯(lián)前后碳納米管纖維表面形貌SEM圖。
[0026]實施例一
[0027]碳納米管生長條件，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丙二胺等離子體進行功能化處理，將功能化碳納米管通過機械牽引加捻(采用加捻機)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)氧樹脂的甲苯溶液，百分比為質(zhì)量分數(shù)，常溫下進行碳納米管間交聯(lián)反應(yīng)12小時。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