[发明专利]一种碳纳米管/聚酰亚胺复合碳化纤维及其生产方法

说明书

发明人提供了种碳纳米管/聚酰亚胺纤维的生产方法，包括步骤为：将多壁碳纳米管加入(酰胺酸)溶液，利用静电纺丝设备将其制成碳纳米管/聚酰胺酸纤维，再将其进行梯度阶段加热，使得/聚酰胺酸脱水环化得到碳纳米管/聚酰亚胺纳米纤维；再碳纳米管/聚酰亚胺纳米纤维阶段升温至900℃进行碳化处理，得到碳纳米管/聚酰亚胺复合碳化纤维，以上方法可以有效提高聚酰亚胺和碳化聚酰亚胺材料力学性能和热稳定性的材料。

技术领域

本发明涉及一种纺织纤维，特别涉及一种碳纳米管/聚酰胺酸复合碳化纤维。

背景技术

聚酰亚胺(PI)是一种性能非常优异的工程塑料，有着良好的力学性能和热学性能、很好的耐辐照性能、良好的介电性能，因此PI是综合性能非常优异的一种有机高分子材料。PI被广泛的应用在纳米技术、航天航空技术、分离膜技术、液晶技术、激光技术、电子基材等领域。在传统行业中PI被用于制作薄膜、涂料、泡沫塑料、工程塑料等。若将其制成纤维，其弹性模量与碳纤维相差无几，在放射性物质和高温介质的过滤材料有着很好的应用，还可作防弹材料和防火织物。如果采用静电纺丝，则可以生产出出直径为几纳米到几百纳米的纤维。

多壁碳纳米管为基材的填料是目前最优异的填充材料之一，具有质轻、高强度、高导热性的特点。

静电纺丝技术可以广泛应用于多个领域，其生产出的产品具有很多非常优异的性能，有着很好的长度和直径的比值，其运作原理是，经高压产生高伏静电，作用在聚合物溶液上，在电场的作用下喷射散布成2纳米到几微米的纤维，与普通纤维相比，其具备跟高的孔隙率和更大的比表面积。可应用于医疗领域，例如人造皮肤、组织支架、纳米绷带、组织细胞培养基布等；可应用于电子领域，用作电极材料、电催化材料。其制备的纳米纤维一般经过后期热处理得到含碳复合物，得到的材料具有良好的导电性和快速的电子、离子传输路径，因此可以用来制备电极及电催化材料。在二次电池和电催化反应中，高效的电极材料和电催化剂至关重要。纳米结构电极材料中较小的粒子可以缩短离子迁移路径，较大的比表面积非常有利于提高材料的电化学反应活性。碳化聚酰亚胺是良好的电极材料，但碳化后的聚酰胺亚胺的力学性能大幅下降。

碳纤维具有高比强度、高比模量、优异的热传导性、低热膨胀系数，是优秀的复合材料的增强体，广泛应用于航空、航天及军工等领域。聚酰亚胺具有化学规整度的刚性链以及酰亚胺环结构，其主链中有大量含氮五元杂环、苯环等，含碳量高达70％，再加上芳杂环产生共扼效应，使其在碳化过程中碳的积累量更大，利于石墨结构形成，可作为很好碳前驱体材料使用。研究发现用碳纤维(CF)去复合PI膜，做纤维增强材料，制备了碳纤维/聚酰亚胺(CF/PI)复合膜，研究发现PI做为碳化前驱体碳转化率高，效果明显，缺点较小，有很好的力学性能和热稳定性。研究发现将热固性聚酰亚胺与热塑性聚酰亚胺碳化后，采用浸渍碳产物的方法后发现，热塑性聚酰亚胺作为碳前驱体综合性能好。

聚酰亚胺(PI)分子中含有许多的平面型芳杂环结构，其薄膜经石墨化后可获得石墨薄纤维膜，有着非常好的热导率，其值高达1756W.m-1·K-1，远高于铜的374W·m-1.K-1。若要得到很好的PI基石墨膜，就要先制备PI纤维膜，由于PI膜较高的分子量，以及PI较难溶解的特性，使得制备PI纤维膜有一定难度，目前常用的方法是用PAA溶液纺制成PAA纤维膜，再经热亚胺化制备PI纤维膜，但是PAA亚胺化转化率有限，纤维膜的力学性能比理论上低。

发明内容

为此，需要提供一种可以提高聚酰亚胺和碳化聚酰亚胺材料力学性能和热稳定性的方法，该方法操作简单、方法可控、产量可观等优点。

为实现上述目的，发明人提供了一种碳纳米管/聚酰亚胺纤维的生产方法,包括以下步骤：

纺丝液制备：搅拌聚酰胺酸溶液的同时加入多壁碳纳米管，超声分散，得到纺丝液，所述纺丝液中多壁碳纳米管的质量百分比为0.5-1.0％，所述聚酰胺酸溶液的溶剂为二甲基甲酰胺；

静电纺：将纺丝液用静电纺丝设备静电纺为碳纳米管/聚酰胺酸纤维；