[发明专利]至少包括碳纳米管的复合纤维、其制备方法以及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及至少包括碳纳米管的复合纤维、其制备方法以及其应用。

背景技术

用作织物或复合填充剂的天然纤维或合成纤维通常涂覆有添加剂。这种涂层的目的是改善纤维的表面性能或赋予其特定的功能性。在某些情况下，可以使用术语粘合剂。例如，用于从喷丝头输出细丝的所谓“织物”粘合包括沉积粘合剂，该粘合剂确保细丝之间的粘合，减少磨损以及促进后续的操作(编织)并防止静电荷的形成。存在其中纤维必须用特殊化合物覆盖的其它情况。例如，可以仅通过用染色剂对纤维涂覆而对其染色。通过用导电聚合物对其涂覆可使最初绝缘的纺织纤维导电。可以通过使用含有香料的囊涂覆衣服纤维而使衣服的外表发出香味。这些仅是许多工业开发和商业上可用情况中的几个实例。

传统的纤维涂覆可获得其表面的均匀、对称的涂层。

然而，在某些情况下，优选以不同的方式向纤维中加入添加剂，即在纤维的内部而不在其表面上。这些不同的条件使得可以改善纤维的性能，使其具有新的功能。

本发明尤其涉及碳纳米管纤维。

碳纳米管的结构以及电学和机械性能使其成为对于许多应用来说是很有前途的材料：复合物、机电致动器、电缆、电阻线、化学检测器、储氢器、电子发射显示器、能量转换器、电子组件、电极、电池、催化介质等。

存在许多用于制备碳纳米管纤维的方法。

尤其是，碳纳米管以及其它类型的颗粒可以通过已授权专利的纺丝方法(专利FR 2805179)制成带或纤维形状。该方法包括使纳米管均匀地分散在液体环境中。使用吸附在纳米管界面上的表面活性剂可以在水中制成分散体。不使用任何分散剂，也可基于官能化的纳米管获得分散体。一旦分散，通过将分散体注入到使纳米管凝聚的另一种液体中，纳米管就能再集结成带或前纤维(pré-fibre)的形状。该另一种液体可以是聚合物溶液。最优化所使用的流体以便促进纳米管在前纤维或带中的排列。此外，流速和流量也使得可以控制前纤维或带的横截面。然后烘干前纤维，得到含有相当多部分的纳米管的纤维。为了改善纳米管的方向，可通过湿法拉伸来处理带、前纤维或最终纤维。这些再成形方法描述于专利FR 0110611中。该专利说明了在对于凝结聚合物而言具有更高或更低亲和力的溶剂中如何动态或静态地延伸纤维，使得可以改善纤维的结构和物理性能。

通过冲洗也可以对前纤维、带或纤维进行洗涤，这使得可以部分或全部地释放出某些吸附物(尤其是凝结聚合物或表面活性聚合物)。

这些纤维的性能，例如任何其它纤维的性能，关键取决于其组分的特性和排列方式。

尤其是，可以期望向纤维中加入额外的组分以改善纤维的性能或赋予其特殊的功能(光学、生物活性、电性能或热性能、氧化-还原性能、催化性能、杀菌性能、机械性能等)。目前，这些改进或功能可以仅通过合成纤维时所用分子的特性来控制。由于很难将特定功能与制备纤维所需要的条件进行结合，因此这具有严重的局限性。理想的是当合成纤维时加入这些添加剂，因为添加剂将可以处于纤维的内部。以这种方式可以更好地保护添加剂。这些添加剂与所有的纳米管直接接触，直接影响纤维的性能。

然而，在合成过程中，加入分子添加剂可使纺丝工艺变得非常复杂，甚至可以使纺丝工艺不能进行。例如，具有特定功能的分子可以妨碍纳米管的凝结或甚至最初分散体的稳定性。同样，如果用于加入的分子不能简单地溶解在所用的溶剂中，则该分子可能不能与纺丝工艺兼容。

由于这些原因中的一种或多种，当制备纤维的过程中，不能加入这些分子。一旦被制备，这些分子必须最后沉积在纤维上。然而，纺丝和纺织工艺中传统的后合成涂覆也具有局限性，因为其不允许使特定的化合物位于纤维的内部。添加剂可局部保持在纤维的表面上，这限制了其对纤维的作用和效果。

因此，本发明人利用上述可解决这些缺点的方法已经改善了纤维。

UIPAC标准以一般的术语将胶体颗粒定义为尺寸包括在1纳米至几微米之间的颗粒。当本发明使用术语“胶体颗粒”时，就指的是该定义。

发明内容

为了该目的，根据本发明，至少包括碳纳米管的复合纤维的特征在于这些纤维还包括至少一种以胶体形式加入并与所述碳纳米管完全均匀混合的其它类型的颗粒，使得这些微粒被均匀地分散在整个所述纤维体中。

所述颗粒优选为聚合物颗粒、矿物颗粒、金属颗粒、金属氧化物颗粒、乳滴和/或活性分子囊。

具体而言，所述聚合物选自导电聚合物、电绝缘聚合物、热固性聚合物和/或热塑性聚合物。

更具体地，所述聚合物选自纤维素、酚醛树脂和/或PAN。