專利名稱：高彈性導(dǎo)電纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域，尤其涉及一種高彈性導(dǎo)電纖維，以及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電子器件的大型化和輕便化，高彈性導(dǎo)電聚合物的研究引起了人們的廣泛關(guān)注，有望成為傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)電材料的更新?lián)Q代產(chǎn)品。其可用于制備面積較大的太陽能電池、傳感器、電激發(fā)器以及其他新型的柔性電子產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)電材料相比較，高彈性導(dǎo)電聚合物具有可拉伸、折疊以及可變成任意復(fù)雜的曲線形狀等多方面的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用在任意曲面，以及面積較大的電子產(chǎn)品的活動部件上。目前導(dǎo)電聚合物的制備方法主要包括以下三種I、后處理方法，S卩，使用導(dǎo)電材料處理聚合物，使導(dǎo)電材料附著在聚合物薄膜或纖維的表面，以賦予聚合物導(dǎo)電性。后處理方法有主要有三種(I)利用粘合劑將導(dǎo)電成分涂敷黏附在聚合物表面；
(2)通過化學(xué)或電化學(xué)方法將本征導(dǎo)電高聚物沉積在聚合物表面；(3)利用真空噴涂或者電鍍使金屬微粉沉積在聚合物表面。這其中方法(I)是最為傳統(tǒng)的涂覆方法，其步驟一般包括將粘合劑用適當(dāng)?shù)娜軇┫♂?，之后將?dǎo)電成分分散于其中，以配制成涂覆液，然后將其涂覆于纖維表面，當(dāng)溶劑揮發(fā)且粘合劑固化后，導(dǎo)電成分依靠粘合劑粘覆于纖維表面。該方法所制備導(dǎo)電纖維的缺點(diǎn)是涂層較厚，纖維手感硬，同時導(dǎo)電微粒易于脫落。2、熔融或溶液共混法，S卩，將導(dǎo)電成分(如，導(dǎo)電碳黑、金屬粉末如銅、銀、鎳、鎘等或其硫化物、氧化物等淺色導(dǎo)電化合物)與聚合物基體熔融或溶液共混，使導(dǎo)電成分摻雜在聚合物中，以賦予聚合物基體導(dǎo)電性。導(dǎo)電摻雜物本身通常表現(xiàn)良好的電子性能、可控性和穩(wěn)定性，但機(jī)械強(qiáng)度差；而聚合物基體雖擁有良好的力學(xué)性能，但其電子特性差。通過該方法，將導(dǎo)電摻雜物加入到軟的聚合物，可以提高基質(zhì)材料的電子特性，并同時的揉合了優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度及優(yōu)良電性能，而這正是實(shí)現(xiàn)柔性電子產(chǎn)品的關(guān)鍵。然而，該方法的缺點(diǎn)是，由于摻雜物之間相互有很強(qiáng)的范德華作用力，摻雜物粒子在聚合物基體中傾向于形成團(tuán)聚，很難均勻分散，嚴(yán)重影響了所制備的導(dǎo)電聚合物的力學(xué)性能和電學(xué)性能。3、本征導(dǎo)電高聚物直接紡絲法，即將本征導(dǎo)電高聚物直接紡絲。本征導(dǎo)電高聚物主要有聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTH)、聚對苯(PPP)等。其中，聚苯胺材料因其原料價格較低、合成工藝較簡單、導(dǎo)電性能的穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)而受到重視。直接紡絲法主要有三種(I)將聚苯胺的中間產(chǎn)物非導(dǎo)電的翠綠亞胺(EB)溶液經(jīng)質(zhì)子酸摻雜，經(jīng)濕法紡絲制得導(dǎo)電纖維；(2)在PANI-EB溶液中摻雜十二烷基苯磺酸(DBSA)或與含有機(jī)金屬鋅的混合物共混塑化后，在熔融狀態(tài)下加工成纖維；以及(3)采用電化學(xué)方法制備納米聚苯胺導(dǎo)電纖維。然而，直接紡絲法的缺點(diǎn)是，由于本征導(dǎo)電高聚物不熔不溶的特點(diǎn)限制了其在加工成膜以及直接紡絲等方面的應(yīng)用。因此，上述這些方法制備的導(dǎo)電聚合物均無法獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能(可拉伸、折疊和變形性)和導(dǎo)電性能兩者，并同時具有穩(wěn)定性的高彈性導(dǎo)電聚合物。碳納米管(CNT，包括單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管)因其獨(dú)特的物理性質(zhì)而受到越來越多的關(guān)注，特別是碳納米管卓越的導(dǎo)電性、機(jī)械增強(qiáng)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性，使其有潛力成為導(dǎo)電聚合物優(yōu)良的導(dǎo)電摻雜物。近年來，碳納米管/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的研究頗受關(guān)注。然而現(xiàn)有技術(shù)中，碳納米管因彼此之間的范德華力，而在聚合物材料中易成束，難以均勻分散的問題仍然沒有得到克服，這極大地影響了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。 此外，如何實(shí)現(xiàn)碳納米管在聚合物基體中的對齊和有序排列也是碳納米管/聚合物導(dǎo)電復(fù)合物面臨的另一問題。因此，依然需要對碳納米管/聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料中碳納米管的分散和有序排列進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中的以上的問題，提供一種具有優(yōu)異力學(xué)性能(可拉伸、折疊和變形性)和導(dǎo)電性能兩者，并同時具有穩(wěn)定性的高彈性導(dǎo)電聚合物。本發(fā)明進(jìn)一步要解決的技術(shù)問題，提供一種制備高彈性導(dǎo)電纖維的方法。為此，本發(fā)明一方面提供一種高彈性導(dǎo)電纖維，包括以下原料碳納米管、離子液體和高彈性聚合物，其中，所述碳納米管與所述高彈性聚合物的重量比為I : 8 20;所述碳納米管與所述離子液體的重量比為4 6 I。優(yōu)選實(shí)施方案中，所述碳納米管為直徑I 50nm、長度10 50 μ m的單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管，或它們的混合物。優(yōu)選地，所述碳納米管為直徑10 20nm、長度10 20 μ m的多壁碳納米管，所述多壁碳納米管與所述高彈性聚合物的重量比為I : 9 ;并且所述多壁碳納米管與所述離子液體的重量比為5 I?；蛘撸鎏技{米管為直徑I 2nm、長度5 30 μ m的單壁碳納米管，所述單壁碳納米管與所述高彈性聚合物的重量比為I : 19 ;并且所述單壁碳納米管與所述離子液體的重量比為5:1。優(yōu)選實(shí)施方案中，所述離子液體為I-丁基-3-甲基咪唑的鹽，包括I-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、I-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、I- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽，或它們的任意混合物。優(yōu)選實(shí)施方案中，所述高彈性聚合物為紡絲用熱塑性聚合物切片，所述熱塑性聚合物包括聚氨酯、聚乙烯、聚酰胺，或它們的任意混合物。本發(fā)明另一方面提供一種制備高彈性導(dǎo)電纖維的方法，包括以下步驟(I)將碳納米管與離子液體均勻混合，以得到預(yù)處理的碳納米管；(2)將所述預(yù)處理的碳納米管與高彈性聚合物均勻混合，以得到碳納米管/高彈性聚合物共混物；
(3)將所述碳納米管/高彈性聚合物共混物進(jìn)行紡絲、或在所述高彈性聚合物高彈態(tài)溫度縱向拉伸處理，得到碳納米管/高彈性聚合物高彈性導(dǎo)電纖維。優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟⑴于90-100°C的溫度在高速混合機(jī)中進(jìn)行。優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟(2)包括將所述預(yù)處理的碳納米管與高彈性聚合物混合，并在雙螺桿擠出機(jī)中于260-300°C的擠出溫度擠出造粒，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物共混物母粒；并且所述步驟(3)包括真空干燥所述碳納米管/高彈性聚合物共混物母粒，并將干燥的所述碳納米管/高彈性聚合物共混物母粒在所述高彈性聚合物的高彈態(tài)溫度縱向拉伸處理，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物高彈性導(dǎo)電纖維。優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟(2)包括將所述高彈性聚合物均勻溶解于溶劑中，以得到高彈性聚合物的溶液；以及將所述預(yù)處理的碳納米管與所述高彈性聚合物的溶液均勻混合，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物共混物溶液，并且所述步驟(3)包括將所述碳納米管/高彈性聚合物共混物進(jìn)行溶液紡絲，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物纖維單絲。優(yōu)選實(shí)施方案中，所述溶劑為能夠溶解所述高彈性聚合物的有機(jī)溶劑，包括四氫呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、丙酮，或它們的任意混合物。本發(fā)明的有益效果在于借助于離子液體，并在縱向拉伸的條件下，碳納米管可以在聚合物基體中有序排列，形成穩(wěn)定的的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，改善碳納米管的均勻分散和有序排列。解決了碳納米管在聚合物基質(zhì)中的分散和有序排列兩個問題。即充分利用了碳納米管優(yōu)良的導(dǎo)電及導(dǎo)熱特性，有效提高該高彈性導(dǎo)電纖維的安全性及高功率特性；同時利用碳納米管良好的機(jī)械強(qiáng)度，還提高了所制備的導(dǎo)電纖維的力學(xué)性能。得到的導(dǎo)電纖維呈現(xiàn)卓越的導(dǎo)電性、高彈性、易于加工成型，且具有手感好、可重復(fù)多次拉伸和導(dǎo)電性持久等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的高彈性導(dǎo)電纖維可以單軸拉伸至100%，而無顯著的導(dǎo)電性能變化。此外，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的制備過程時間短、工藝簡單，成本低廉
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具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下通過優(yōu)選實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。根據(jù)一個實(shí)施方案，本發(fā)明的高彈性導(dǎo)電纖維由包括碳納米管、離子液體和高彈性聚合物的原料制成。其中，碳納米管可以是直徑I 50nm、長度10 50 μ m的單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管，或它們的混合物。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)碳納米管的管徑大于6nm時，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6nm時，碳納米管可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。當(dāng)單獨(dú)采用多壁碳納米管時，其直徑可以為10 20nm、長度可以為10 20 μ m,多壁碳納米管與高彈性聚合物的重量比可以為I : 9 ;并且多壁碳納米管與離子液體的重量比可以為5 I。而當(dāng)單獨(dú)采用單壁碳納米管時，其直徑可以為I 2nm、長度可以為5 30μπι，所述單壁碳納米管與所述高彈性聚合物的重量比為I : 19;并且所述單壁碳納米管與所述離子液體的重量比為5 I。實(shí)踐中，所采用碳納米管的類型、具體尺寸，以及它們與高彈性聚合物和離子液體的具體重量比可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，而不局限于所列舉的特定值。離子液體用于對碳納米管進(jìn)行預(yù)處理，以使碳納米管可以隨后更均勻地分散在高彈性聚合物中。優(yōu)選的離子液體為I- 丁基-3-甲基咪唑的鹽，包括I- 丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、I-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、I-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽，或它們的任意混合物。本發(fā)明的實(shí)施方案中，碳納米管與離子液體的重量比可以在4 6 I的范圍。當(dāng)然，實(shí)踐中，也可以根據(jù)需要使用其他類型的離子液體，并根據(jù)離子液體的類型，選擇合適的重量比。本發(fā)明的高彈性聚合物為紡絲用熱塑性聚合物切片，所述熱塑性聚合物包括聚氨酯、聚乙烯、聚酰胺，或它們的任意混合物。所述熱塑性聚合物隨著溫度的變化，可以呈現(xiàn)“高彈態(tài)”，高彈態(tài)溫度為所述高彈性聚合物的軟化溫度以上、熔融溫度以下的溫度。根據(jù)另一實(shí)施方案，提供本發(fā)明的高彈性導(dǎo)電纖維的制備方法?！な紫扔秒x子液體預(yù)處理碳納米管，形成碳納米管/離子液體分散體系，得到預(yù)處理的碳納米管。該步驟可以通過將兩者按重量比均勻混合來實(shí)現(xiàn)，并且可以伴隨加熱。由于離子液體可以強(qiáng)烈吸附到碳納米管的表面上，這樣的處理可以改善碳納米管隨后在聚合物中的分散，同時增強(qiáng)界面粘合。然后，將預(yù)處理的碳納米管與高彈性聚合物(優(yōu)選為聚氨酯)高速均勻混合，得到碳納米管/聚合物共混物，該過程可以伴隨超聲和攪拌。接著，將碳納米管/聚合物共混物進(jìn)行紡絲，或在所述高彈性聚合物高彈態(tài)溫度縱向拉伸處理，以得到碳納米管/高彈性聚合物高彈性導(dǎo)電纖維，紡絲處理可以為常規(guī)紡絲，或溶液紡絲。紡絲和縱向拉伸操作，可以使碳納米管在聚合物中沿拉伸方向有序排列。本發(fā)明的高彈性導(dǎo)電纖維的制備方法基于經(jīng)過I-丁基-3-甲基咪唑(離子液體)預(yù)處理的后的碳納米管能很好的在聚合物基體中分散，同時通過定向拉伸，可使碳納米管能夠在聚合物基體中有序排列以形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。利用碳納米管優(yōu)良的導(dǎo)電及導(dǎo)熱特性，可有效提高該高彈性導(dǎo)電纖維的安全性及高功率特性。同時由于碳納米管具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，在可獲得優(yōu)良的電性能的同時還可以提高所制備的導(dǎo)電纖維的力學(xué)性能。由本發(fā)明制備方法制得的導(dǎo)電纖維具有電阻率低、手感好、可重復(fù)多次拉伸和導(dǎo)電性持久等優(yōu)點(diǎn)。不希望受縛于特定理論，本發(fā)明人推測，采用離子液體對碳納米管的預(yù)處理減弱了碳納米管之間的相互作用，削弱了碳納米管在聚合物中的團(tuán)聚作用；同時與碳納米管自身之間的范德華力相比，碳納米管與高彈性聚合物的聚合物鏈之間強(qiáng)得多的氫鍵作用，促使碳納米管在聚合物中沿拉伸方向有序排列在，進(jìn)一步增強(qiáng)了本發(fā)明的高彈性導(dǎo)電纖維的機(jī)械性能和導(dǎo)電性。本發(fā)明的高彈性導(dǎo)電纖維的制備方法大體上分兩種，熔融紡絲法和溶液紡絲法，總體上包括步驟(I)將碳納米管與離子液體均勻混合，以得到預(yù)處理的碳納米管，該步驟優(yōu)選于90-100°C的溫度在高速混合機(jī)中進(jìn)行。
步驟(2)將所述預(yù)處理的碳納米管與高彈性聚合物均勻混合，以得到碳納米管/高彈性聚合物共混物。當(dāng)采用熔融紡絲法時，步驟(2)可以包括將所述預(yù)處理的碳納米管與高彈性聚合物混合，并在雙螺桿擠出機(jī)中于200-300°C的擠出溫度擠出造粒，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物共混物母粒。并且步驟(3)可以包括將所述碳納米管/高彈性聚合物共混物進(jìn)行縱向拉伸的常規(guī)紡絲處理，得到碳納米管/高彈性聚合物高彈性導(dǎo)電纖維單絲。當(dāng)采用溶液紡絲法時，步驟(2)可以包括將所述高彈性聚合物均勻溶解于溶劑中，以得到高彈性聚合物的溶液，并將所述預(yù)處理的碳納米管與所述高彈性聚合物的溶液均勻混合，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物共混物溶液.
并且步驟(3)可以包括將所述碳納米管/高彈性聚合物共混物進(jìn)行溶液紡絲，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物高彈性導(dǎo)電纖維單絲。所述溶劑可以為能夠溶解所述高彈性聚合物的任何極性有機(jī)溶劑，包括四氫呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、丙酮，或它們的任意混合物。一個具體實(shí)施方案涉及熔融紡絲法，包括如下步驟(I)將多壁碳納米管和I-丁基-3-甲基咪唑(離子液體)按照重量比為5 I投入到高速混合機(jī)，控制溫度在90-100°C，使所述的將多壁碳納米管和I- 丁基-3-甲基咪唑(離子液體)均勻混合，得到預(yù)處理的多壁碳納米管；(2)將經(jīng)過預(yù)處理的多壁碳納米管與聚氨酯按照I : 9的重量比混合，然后加入到雙螺桿擠出機(jī)中，控制擠出溫度為280°C，使所述聚氨酯和經(jīng)過預(yù)處理后的多壁碳納米管混合均勻，并經(jīng)造粒制備出適合加工成型的多壁碳納米管/聚氨酯共混物的母粒；(3)將多壁碳納米管/聚氨酯共混物的母粒在真空干燥箱中真空干燥，然后在所述聚氨酯的高彈態(tài)溫度進(jìn)行縱向拉伸，以制備多壁碳納米管/聚氨酯高彈性導(dǎo)電纖維。另一個具體實(shí)施方案涉及溶液紡絲法，包括如下步驟(I)將多壁碳納米管和I-丁基-3-甲基咪唑(離子液體)按照重量比為5 I投入到高速混合機(jī)，控制溫度在90-100°C，使所述的將多壁碳納米管和I- 丁基-3-甲基咪唑(離子液體)均勻混合，以得到預(yù)處理的多壁碳納米管；(2)將聚氨酯和四氫呋喃溶液按照重量比為I : 9投入到高速攪拌機(jī)中，攪拌時間為24小時，使聚氨酯充分溶解均勻，以得到聚氨酯溶液，并將預(yù)處理的多壁碳納米管與聚氨酯溶液按照重量比為I : 90混合，然后加入高速攪拌機(jī)，攪拌時間為24小時，使多壁碳納米管在聚氨酯溶液中混合均勻，以得到多壁碳納米管/聚氨酯共混物溶液；(3)將多壁碳納米管/聚氨酯共混物溶液通過溶液紡絲方法制備成多壁碳納米管/聚氨酯高彈性導(dǎo)線纖維單絲。或者，涉及溶液紡絲法的再一具體實(shí)施方案中，包括如下步驟(I)將單壁碳納米管和I-丁基-3-甲基咪唑(離子液體)按照重量比為5 I投入到高速混合機(jī)，控制溫度在90-100°C，使所述的將單壁碳納米管和I- 丁基-3-甲基咪唑(離子液體)均勻混合，以得到預(yù)處理的單壁碳納米管；(2)將聚氨酯和四氫呋喃溶液按照重量比為I : 9投入到高速攪拌機(jī)中，攪拌時間為24小時，使聚氨酯充分溶解均勻，以得到聚氨酯溶液，并將預(yù)處理的單壁碳納米管與聚氨酯溶液按照重量比為I : 190混合，然后加入高速攪拌機(jī)，攪拌時間為24小時，使單壁碳納米管在聚氨酯溶液中混合均勻，以得到單壁碳納米管/聚氨酯共混物溶液；(3)將單壁碳納米管/聚氨酯共混物溶液通過溶液紡絲方法制備成單壁碳納米管/聚氨酯高彈性導(dǎo)電纖維單絲。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比較，由于碳納米管經(jīng)離子液體處理后可在其表面引入大量的離子電荷，同時，經(jīng)離子液體處理后的碳納米管還能與聚氨酯分子鏈之間形成氫鍵。因此，可以有效的提高碳納米管在聚氨酯基體中的分散性，而且可以完全解決傳統(tǒng)工藝中難以解決的碳納米管團(tuán)聚現(xiàn)象。又由于本發(fā)明中采用縱向拉伸的制備方法，可以使碳納米管在聚合物基體中定向排列以形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。因此，所制備的高彈性的導(dǎo)電纖維具有電阻率低，手感柔軟，可拉伸的優(yōu)點(diǎn)；此外，與傳統(tǒng)的通過熔融紡絲制備導(dǎo)電纖維的方法相
比較，本發(fā)明的制備方法還具有工藝簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明所制備的導(dǎo)電纖維在提高原基體纖維的力學(xué)性能的同時，還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。實(shí)施例原料本發(fā)明的具體實(shí)施例中采用的單壁碳納米管(直徑在I 2nm之間，長度為20 μ m，純度大于95% )和多壁碳納米管(直徑在10 20nm之間，長度為15 μ m，純度大于95%)購自深圳納米港有限公司。使用前將單壁碳納米管或多壁碳納米管在40(TC加熱2小時以除去雜質(zhì)。聚氨酯母粒(SPX75A)購自深圳市百事達(dá)卓越科技有限公司。離子液體(I-丁基-3-甲基咪唑)購自上海成捷化學(xué)有限公司。測量與表征機(jī)械性質(zhì)(包括拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率)通過Instron萬能材料測試系統(tǒng)(Model4466)，使用5KN測壓元件來測量。將高彈性導(dǎo)電纖維切成長40mm的纖維單絲，并固定在紙框上，于室溫測試，標(biāo)距長度為30mm，十字頭速度為IOmm/分鐘。應(yīng)變過程中高彈性導(dǎo)電纖維的電阻變化使用兩點(diǎn)測量法監(jiān)控。將高彈性導(dǎo)電纖維切成40mm長的纖維單絲。將兩根導(dǎo)電銀絲通過導(dǎo)電膠連接于高彈性導(dǎo)電纖維的兩端，銀絲充當(dāng)電流電極。高彈性導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電性通過恒壓電阻率儀(MCP_HT450、Dia Instruments有限公司，日本)測量，將250V的測量電壓施加到高彈性導(dǎo)電纖維。在測量高彈性導(dǎo)電纖維在應(yīng)變/弛豫下的導(dǎo)電性變化時，使用5KN測壓元件的Instron萬能材料測試系統(tǒng)(Model4466)將拉伸應(yīng)變施加到高彈性導(dǎo)電纖維上。所有的伸長率均以IOmm/分鐘的應(yīng)變速率進(jìn)行。實(shí)施例I-熔融共混法預(yù)處理碳納米管采用多壁碳納米管，通過干混法對其進(jìn)行預(yù)處理。首先將多壁碳納米管和I-丁基-3-甲基咪唑(離子液體)按照比例混合后加入高速混合機(jī)中，升溫至90-100°C，在4000轉(zhuǎn)/分高速下攪拌10分鐘，然后再調(diào)至1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下再攪拌30分鐘后，即可得到預(yù)處理的多壁碳納米管。制備多壁碳納米管/聚合物共混物母粒依重量百分比將10份預(yù)處理的多壁碳納米管和90份的聚氨酯母粒投入到高速混合機(jī)中，在1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下將預(yù)處理的多壁碳納米管和聚氨酯母粒攪拌均勻。然后將所得的多壁碳納米管/聚氨酯共混物母粒加入到雙螺桿擠出機(jī)中，擠出溫度保持在185°c，混合物經(jīng)高速剪切、造粒，制備得到用于熔融紡絲用的多壁碳納米管/聚氨酯共混物切片粒子。制各高彈件導(dǎo)電纖維將所得多壁碳納米管/聚氨酯共混物切片粒子在真空干燥箱中干燥24小時，干燥溫度為80°C。然后采用單螺桿紡絲機(jī)，常規(guī)的紡絲和拉伸工藝制備出所述的導(dǎo)電纖維。測試表明，在所述高彈性導(dǎo)電纖維中多壁碳納米管的重量百分比為10%的條件下，該高彈性導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電率為5. 6S/cm，可重復(fù)拉伸次數(shù)在100次，拉伸比率為100%的條件下，在拉伸和釋放過程中，其導(dǎo)電率無明顯變化。實(shí)施例2-溶液紡絲法預(yù)處理碳納米管·采用多壁碳納米管，通過干混法對其進(jìn)行預(yù)處理。首先將多壁碳納米管和I-丁基-3-甲基咪唑(離子液體)按照比例混合后加入高速混合機(jī)中，升溫至90-100°C，在4000轉(zhuǎn)/分高速下攪拌10分鐘，然后再調(diào)至1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下再攪拌30分鐘后，即可得到預(yù)處理的多壁碳納米管。制備多壁碳納米管/聚合物共混物溶液依重量百分比將90份的聚氨酯母粒投入到高速混合機(jī)中，然后加入900份的四氫呋喃溶液，在1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下連續(xù)攪拌24小時，使聚氨酯母粒充分溶解到四氫呋喃溶液中。然后在上述聚氨酯溶液中加入10份預(yù)處理后的多壁碳納米管，在4000轉(zhuǎn)/分高速下攪拌10分鐘，然后再調(diào)至1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下再攪拌30分鐘后，即可制得多壁碳納米管/聚合物共混物溶液，其為凝膠態(tài)的溶液紡絲液。制備高彈件導(dǎo)電纖維將上述凝膠態(tài)溶液紡絲液傾倒入溶液紡絲機(jī)中，采用常規(guī)的溶液紡絲工藝制備出所述的導(dǎo)電纖維。測試表明，在所述彈性導(dǎo)電纖維中多壁碳納米管的重量百分比為10%的條件下，該纖維的導(dǎo)電率為3. 7S/cm，可重復(fù)拉伸次數(shù)在100次，拉伸比率為100%的條件下，在拉伸和釋放過程中，其導(dǎo)電率無明顯變化。實(shí)施例3溶液紡絲法預(yù)處理碳納米管采用單壁碳納米管，通過干混法對其進(jìn)行預(yù)處理。首先將單壁碳納米管和I-丁基-3-甲基咪唑(離子液體)按照比例混合后加入高速混合機(jī)中，升溫至90-100°C，在4000轉(zhuǎn)/分高速下攪拌10分鐘，然后再調(diào)制1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下再攪拌30分鐘后，即可得到預(yù)處理的單壁碳納米管。制備單壁碳納米管/聚合物共混物溶液依重量百分比將95份的聚氨酯母粒投入到高速混合機(jī)中，然后加入900份的四氫呋喃溶液，在1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下連續(xù)攪拌24小時，使聚氨酯母粒充分溶解到四氫呋喃溶液中。然后在上述聚氨酯溶液中加入5份預(yù)處理后的單壁碳納米管，在4000轉(zhuǎn)/分高速下攪拌10分鐘，然后再調(diào)至1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下再攪拌30分鐘后，即可制得單壁碳納米管/聚合物共混物溶液，其為凝膠態(tài)的溶液紡絲液。制各高彈件導(dǎo)電纖維將上述凝膠態(tài)溶液紡絲液傾倒入溶液紡絲機(jī)中，采用常規(guī)的溶液紡絲工藝制備出所述的導(dǎo)電纖維。測試表明，在所述彈性導(dǎo)電纖維中多壁碳納米管的重量百分比為5%的條件下，該纖維的導(dǎo)電率為O. 74S/cm，可重復(fù)拉伸次數(shù)在100次，拉伸比率為100%的條件下，在拉伸和釋放過程中，其導(dǎo)電率無明顯變化。盡管以上結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，應(yīng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種修改和替換，這些修改和替換也都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高彈性導(dǎo)電纖維，包括以下原料碳納米管、離子液體和高彈性聚合物，其特征在于， 所述碳納米管與所述高彈性聚合物的重量比為I : 8 20; 所述碳納米管與所述離子液體的重量比為4 6 I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高彈性導(dǎo)電纖維，其特征在于，所述碳納米管為直徑I 50nm、長度10 50 μ m的單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管，或它們的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高彈性導(dǎo)電纖維，其特征在于，所述碳納米管為直徑10 20nm、長度10 20 μ m的多壁碳納米管，所述多壁碳納米管與所述高彈性聚合物的重量比為I : 9;并且所述多壁碳納米管與所述離子液體的重量比為5 I。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高彈性導(dǎo)電纖維，其特征在于，所述碳納米管為直徑I 2nm、長度5 30 μ m的單壁碳納米管，所述單壁碳納米管與所述高彈性聚合物的重量比為I 19 ;并且所述單壁碳納米管與所述離子液體的重量比為5 I。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高彈性導(dǎo)電纖維，其特征在于，所述離子液體為I-丁基-3-甲基咪唑的鹽，包括I-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、I-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、I-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽，或它們的任意混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高彈性導(dǎo)電纖維，其特征在于，所述高彈性聚合物為紡絲用熱塑性聚合物切片，所述熱塑性聚合物包括聚氨酯、聚乙烯、聚酰胺，或它們的任意混合物。
7.一種制備權(quán)利要求1-6所述的高彈性導(dǎo)電纖維的方法，包括以下步驟 (1)將所述碳納米管與所述離子液體均勻混合，以得到預(yù)處理的碳納米管； (2)將所述預(yù)處理的碳納米管與高彈性聚合物均勻混合，以得到碳納米管/高彈性聚合物共混物； (3)將所述碳納米管/高彈性聚合物共混物進(jìn)行紡絲處理，或在所述高彈性聚合物高彈態(tài)溫度縱向拉伸，以得到碳納米管/高彈性聚合物高彈性導(dǎo)電纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟(I)于90-100°C的溫度在高速混合機(jī)中進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于 所述步驟(2)包括將所述預(yù)處理的碳納米管與高彈性聚合物混合，并在雙螺桿擠出機(jī)中于200-300°C的擠出溫度擠出造粒，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物共混物母粒；并且 所述步驟(3)包括真空干燥所述碳納米管/高彈性聚合物共混物母粒，并將干燥的所述碳納米管/高彈性聚合物共混物母粒進(jìn)行紡絲處理，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物纖維單絲。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于 所述步驟(2)包括 將所述高彈性聚合物均勻溶解于溶劑中，以得到高彈性聚合物的溶液； 以及 將所述預(yù)處理的碳納米管與所述高彈性聚合物的溶液均勻混合，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物共混物溶液,并且所述步驟(3)包括將所述碳納米管/高彈性聚合物共混物進(jìn)行溶液紡絲，以得到所述碳納米管/高彈性聚合物高彈性導(dǎo)電纖維單絲。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述溶劑為能夠溶解所述高彈性聚合物的有機(jī)溶劑，包括四氫呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、丙酮，或它們的任意混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高彈性導(dǎo)電纖維，包括以下原料碳納米管、離子液體和高彈性聚合物，其中所述碳納米管與所述高彈性聚合物的重量比為1∶8～20；所述碳納米管與所述離子液體的重量比為4～6∶1。本發(fā)明還公開了一種高彈性導(dǎo)電纖維的制備方法。本發(fā)明的高彈性導(dǎo)電纖維既具有碳納米管的高導(dǎo)電性，還具有聚合物纖維的力學(xué)性能。此外，該高彈性導(dǎo)電纖維可單軸拉伸至100％而無顯著的電性能變化。
文檔編號D01F6/90GK102953137SQ20111023744
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者尚頌民, 曾煒, 陶肖明 申請人:香港理工大學(xué)