一種新型皮芯層復合纖維、其制備方法及應用技術

本發明專利技術公開了一種新型皮芯層復合纖維、其制備方法及應用。該新型皮芯層復合纖維包括碳納米管纖維以及包裹在碳納米管纖維上的導電聚合物；其制備方法包括：首先通過陣列紡絲法、浮動催化紡絲或溶液紡絲等制得碳納米管纖維，然后對該碳納米管纖維進行酸化處理，再將酸化處理后的碳納米管纖維表面沉積導電聚合物，得到導電聚合物為皮層，碳納米管纖維為芯層的雙組份復合纖維。該復合纖維具有良好的線電容特性，并且具有質量輕、強度高等特點，而其制備方法簡單便捷，為兩步成型，制備過程全部在常溫常壓下進行，能耗低，效率高，操作方便。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種新型皮芯層復合纖維及其制備方法，尤其涉及一種以碳納米管纖 維為芯、導電聚合物為皮層的新型皮芯層復合纖維及其制備方法，屬于納米微復合材料領 域。
技術介紹
電容器具有較高的能量密度、功率密度和長循環壽命等，作為一種清潔、高效的新 型儲能器件，受到越來越多研究人員的關注，在電動汽車、移動通訊、國防科技等領域具有 廣闊的應用和發展前景。其中電極材料是制約電容器的瓶頸，也是影響超級電容器發展的 關鍵因素。目前對電極材料的研究主要集中在開發混合型電容器、贗電容材料過渡金屬氧 化物及導電聚合物與高比表面積碳材料的復合，以達到能制備高比容量、高能量密度、高功 率密度、低等效電阻以及性價比高的活性材料。為了達到這些目的，目前市售的超級電容器 電極多為平面二維結構，以最大限度地實現其能量儲存及轉化目的。但是這種二維結構的 電極材料在一些特殊要求的場合就不能使用，尤其是軍事、航空航天等對設備占用空間要 求極為嚴格，此時一維線型結構的電極材料就顯得極為重要。目前也有少量關于線型電容 器電極的報道，但多是用金屬絲或非導電性紗線做電極，這些材料在導電性、比表面積、和 柔性等方面難以兼顧，故市場對新型實用的線型電容器要求極為迫切。
技術實現思路
本專利技術的目的之一在于提供一種新型皮芯層復合纖維，其具有輕質、高強、柔性 好、電學性能良好等特點，可用于制備新型電容器件，并克服現有技術中的不足。本專利技術的另一目的在于提供一種制備前述新型皮芯層復合纖維的方法，其能有效 改善納米管內部結構和表面形貌，使之能作為具有良好力學、電學性能的電極材料在電容 器件中應用，且該方法簡單易行。為實現上述專利技術目的，本專利技術采用了如下技術方案一種新型皮芯層復合纖維，包括碳納米管纖維，以及，包裹在碳納米管纖維上的導電聚合物。作為優選方案之一，所述導電聚合物包括聚苯胺。一種新型皮芯層復合纖維的制備方法，包括取經酸化處理的碳納米管纖維作為工作電極，而以惰性電極作為對電極，并取所述工 作電極及對電極與參比電極置入含導電聚合物單體的電解質溶液中，在設定反應條件下進 行電化學反應，獲得目標產物，所述目標產物以碳納米管纖維為芯，而以沉積在碳納米管纖 維上的導電聚合物為皮層。進一步的，所述碳納米管纖維包括至少由陣列紡絲工藝、浮動催化紡絲工藝和溶 液紡絲工藝中任意一種工藝所獲得的碳納米管纖維。作為可實施的方案之一，該制備方法中是采用將碳納米管纖維置入酸性溶液中的 方式而實現對碳納米管纖維的酸化處理，所述酸性溶液至少選自硝酸、硫酸、鹽酸及氫氟酸 中的任意一種。作為優選方案之一，該制備方法還包括將經酸化處理后的碳納米管纖維再進行熱處理，而后作為工作電極置入含導電聚合物 單體的電解質溶液中，所述熱處理的溫度在50-80°C，時間在Ih以上。作為可實施的方案之一，所述惰性電極包括鉬電極、碳電極、石墨電極等，所述參 比電極包括SCE電極，所述電解質溶液為酸性電解質溶液。作為可實施的方案之一，所述電解質溶液以水為溶劑，并包含O. OflO mol/L苯胺 及 O. 5-5 mol/L 硫酸。作為優選方案之一，該方法中是采用恒壓法、恒流法和循環伏安法中的任意一種 進行電化學反應的，其中，所述恒壓法中電壓為O. 5-1V，所述恒流法中電流為O. 01-10 A/cm2，所述循環伏安法的 掃描條件為電壓范圍-O. 2-0. 8V，掃描速率為O. 01-0. 5 V/s。如上所述新型皮芯層復合纖維及按照上述方法制備的新型皮芯層復合纖維在制 備電子器件中的應用。與現有技術相比，本專利技術的積極效果體現在(1)本專利技術的新型皮芯層復合纖維具有優越的力學性能，強度較高，可以達到1.7 GPa, 韌性優于碳纖維，含碳量仍在99%以上，并且酸化處理后的纖維導電性優于處理前的碳納 米管纖維，可以提高到原來的三倍，得到力學和電學性能的同時提高；(2)本專利技術的新型皮芯層復合纖維性能優于普通紗線，打結后可以維持強度的80%以 上，具備普通紗線的可操作性，可以滿足多種形式(如單絲、復絲、條帶、二維織物等)電極的 制備需求；(3)本專利技術的制備方法中用于對碳納米管纖維進行酸化處理的酸溶液可以重復利用， 基本無毒無害，對環境污染小；(4)本專利技術的制備方法中于碳納米管纖維表面沉積聚苯胺等導電聚合物的時間短，效 率較高；(5)本專利技術的制備方法簡單便捷，基本是紡絲一步法，后處理一步法，易于實現規模化生產。附圖說明圖1是本專利技術實施例1中經酸化處理后的碳納米管纖維的SHM電鏡圖；圖2是本專利技術實施例1中經酸化處理后的碳納米管纖維的紅外光譜圖；圖3a-3c分別是本專利技術實施例1中經酸化處理后的兩種碳納米管纖維的力學(虛線和 實線分別為處理前和處理后的拉伸曲線)和電學性能圖；圖4是本專利技術實施例1中于碳納米管纖維上電化學沉積聚苯胺的沉積示意圖；圖5是以本專利技術實施例1所獲新型皮芯層復合纖維制備的電極的線電容性能曲線圖。具體實施方式如前所述，有鑒于現有技術中的不足，本專利技術旨在提供一種可用于制備具有良好 力學、電學性能的電極的新型復合纖維材料，其具有皮芯復合結構，因此可稱為新型皮芯層 復合纖維，其包括碳納米管纖維以及包裹在碳納米管纖維上的導電聚合物，其中，所述導電 聚合物可優選采用聚苯胺，但不限于此。作為可實施的方案之一，前述新型皮芯層復合纖維可通過如下方法制備，其包 括a.從可紡絲碳納米管陣列中拉出碳納米管薄膜，其后對碳納米管薄膜進行加捻和卷 繞收集，或通過浮動催化、溶液紡絲法得到一定長度的碳納米管纖維；b.將步驟a中得到的纖維放入化學處理液中進行處理；c.對經化學處理的碳納米管纖維進行電化學沉積，得到表面附有聚苯胺或其它導電 聚合物的新型皮芯層復合纖維；d.將步驟C中得到的纖維制作成電極，進行性能測試。該方法中，首先要得到碳納米管纖維。進一步地，該方法中，碳納米管纖維具有設定的捻角、長度，而直徑可根據需要調 控，比如，捻角15-20度、長3米、直徑10微米。該方法中，步驟a中化學處理對象為碳納米管纖維進行酸化處理，并且在酸化過 程中碳納米管纖維受到一定的張力作用，進行化學處理的酸溶液可以是濃硝酸，但亦可為 鹽酸、硫酸等。進一步地，對碳納米管纖維進行酸化處理的時間不同得到的酸化處理效果也不 同，比如，若處理時間為2小時，則所得碳納米管纖維就具有較好的力學和電學性能。并且，前述進行化學處理的酸溶液可以重復利用，基本無毒無害，對環境污染小； 該方法中，酸化處理完成后，導電聚合物的化學沉積在電解溶液中進行，所采用方法可以為恒壓法、恒流法、循環伏安法等方法。進一步地，化學沉積過程中，恒壓法電壓范圍為O. 5-1V，恒流法中電流為O. 01-10 A/cm2，循環伏安法的掃描條件為電壓范圍-O. 2-0. 8V，掃描速率為O. 01-0. 5 V/s。進一步地，導電聚合物沉積層厚度可根據沉積時間控制。該方法簡單便捷，基本是紡絲一步法，后處理一步法，易于實現規模化生產。藉由前述方法所獲新型皮芯層復合纖維可作為電極應用，比例，可以用銀膠將新 型皮芯層復合纖維固定在載玻片上，銅線通過銀膠與新型皮芯層復合纖維電連接，引出電 極，用于性能測試。本專利技術的新型皮芯層復合纖維具有優越的力學性能，強度較高，可以達到1.7 GPa，韌性優于碳纖維，含碳量仍在本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種新型皮芯層復合纖維，其特征在于，它包括：碳納米管纖維，以及，包裹在碳納米管纖維上的導電聚合物。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙靜娜，孟凡成，張驍驊，李清文，
申請(專利權)人：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，
類型：發明
國別省市：