[发明专利]富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用

说明书

本发明属于高性能纤维及制备和复合材料领域，涉及富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用，主要是将富勒烯材料作为碳质元素添加剂用于碳纳米纤维的制备，具体地，将丙烯腈与碳质元素添加剂通过水相沉淀聚合形成碳质元素添加剂与聚丙烯腈复合的前体原料，将前体原料依次进行纺丝、热牵伸、预氧化、碳化、石墨化获得富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维；所述碳质元素添加剂为富勒烯材料。本发明能够防止碳质元素添加剂的团聚，减少碳纳米纤维的缺陷，且能够使复合碳纳米纤维具有较高的强度和韧性、质轻、热稳定性优异。

技术领域

本发明属于高性能纤维及制备和复合材料领域，涉及富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

碳纤维是一种具有高强高模、低密度、高导热导电性等优异性能的新型无机纤维材料。碳纤维可以由很多前驱体纺制而成，其中聚丙烯腈是生产高性能碳纤维最有前途的前驱体，聚丙烯腈基碳纤维凭借其优异的综合性能占据了当前世界碳纤维总产量的90％以上。

聚丙烯腈基碳纤维可以通过很多工艺制备，自静电纺丝技术成熟以来，凭借该技术制备的碳纳米纤维得到了极大地发展，相比于碳纤维复杂且严格的纺丝过程而言，静电纺丝制备碳纳米纤维的过程显得更加简单，可以方便的调整工艺参数。然而简便的工艺过程也带来很多缺点，如碳纳米纤维取向性差，常伴有粗糙的表面及串珠结构等，因此目前对碳纳米纤维的应用多限于功能材料，如储能设备、催化剂或催化剂载体等。虽然在宏观结构方面碳纤维和碳纳米纤维存在很多差异，但是二者内部结构上有很大的相似性，因此在碳纳米纤维研究中取得的成果可以有效地指导碳纤维的生产。

目前制约碳纳米纤维性能提高的主要原因在于纤维内部缺陷较多，石墨化结构的完整性、取向性较差。可以通过添加改性物质来提高碳纳米纤维的性能。碳质元素添加剂，如碳纳米管、石墨烯及其衍生物等，由于有着与理想碳纳米纤维结构相同的蜂窝状石墨晶格结构，可以在纤维碳化过程中促进石墨化结构的形成，被广泛的用作碳纳米纤维的成核剂和模板剂，然而，发明人研究发现，相对于碳纳米纤维的纳米级尺寸而言，碳纳米管和石墨烯的尺寸仍然较大，容易在碳纤维内部导致结构不均的现象，此外其浓度稍高便会产生团聚，极大地限制了纤维性能的提高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用，本发明能够防止碳质元素添加剂的团聚，减少碳纳米纤维的缺陷，且能够使复合碳纳米纤维具有较高的强度和韧性、质轻、热稳定性优异。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种富勒烯材料作为碳质元素添加剂在制备碳纳米纤维中的应用,相比于目前应用较广的石墨烯和碳纳米管，富勒烯有如下独特的优势：

(1)相比于一维的碳纳米管及二维的石墨烯，富勒烯是零维的纳米球，其结构更小且在各个方向上均为纳米级尺寸，更小的尺寸使该添加剂与纤维基质的接触面积更大，从而通过接触产生的相互作用也会更强；(2)碳纳米管及石墨烯容易在纤维基质中发生弯曲、缠绕、扭转等变形，进而诱导产生晶格畸变，而相比之下富勒烯球形结构不会发生上述变形，使其作为添加剂使用时在基质中的形貌控制更容易；(3)富勒烯的球形结构可以把力分散给所有原子，是结构更加稳定；(4)富勒烯更小的尺寸使其在纤维变形时可以随纤维基质一起移动，填料与基质的变形协调性更一致，进而在纤维受牵伸时富勒烯可以与纤维基质不断产生二次键接，持续起到增强作用，最终使纤维的韧性得到提升；(5)富勒烯有高电子接受能力，可以吸附热解及变形过程中纤维基质产生的自由基，防止结构进一步劣化，起到“自愈合”的作用。