CN102522138A - 一种碳纳米材料-棉纤维复合导电材料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米材料-棉纤维复合导电材料的制备方法，其包括下述步骤：(1)以棉织物作为过滤介质，以过滤的方式使含有碳纳米材料的悬浮溶液在常压下流经该过滤介质，干燥；(2)室温下用平板硫化机压制，即得碳纳米材料-棉纤维复合导电材料；所述悬浮溶液中的溶剂为水。本发明还公开了由该方法制得的碳纳米材料-棉纤维复合导电材料及其在服装用电子设备中的用途。本发明的复合导电材料为多孔、柔性可折叠的导电复合材料，其不仅具有优异的电性能和机械性能，同时还具备良好的耐化学腐蚀性能。更重要的是，该导电材料在经250次水洗后，溶液中无肉眼可见的碳纳米材料，且电性能基本没有衰减，可用于大规模柔性导电材料的生产。

Description

一种碳纳米材料-棉纤维复合导电材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种碳纳米材料-棉纤维复合导电织物及其制备方法和用途。
背景技术
随着科技的快速发展，对于可穿戴的电子元器件的需求也日益增长，高性能运动服、可穿着的显示器、新型的便携设备的能量供应***以及植入式健康监测设备等迫切需要一种新型的重量轻，柔性可折叠的能量转换和存储装置。纤维是一种通过织造或压制天然或高分子聚合物得到的多孔材料，例如棉纤维(织造)和聚酯纤维。理想的服用能量供应装置应将纤维整合其中。通过将纳米材料共混在纤维中，已经实现了具有防臭，防紫外，生物监控特性的服装的制备。
但是目前为止，通常制备碳纳米纤维导电材料的方法通常是在纺丝过程中的共混，存在工艺复杂，纳米材料用量大，成本昂贵，分散不均等弊端，同时这种方法也不适合一些天然纤维如棉纤维。因而难以在工业中得到实际应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服了现有的碳纳米纤维导电材料都是通过在将纤维与碳纳米颗粒共混制得，从而导致制备工艺复杂、纳米材料用量大、成本高、分散不均匀等缺陷，提供了一种新的碳纳米材料-棉纤维复合导电材料及其制备方法和用途。本发明的复合导电材料为多孔、柔性可折叠的导电复合材料，其不仅具有优异的电性能和机械性能，同时还具备良好的耐化学腐蚀性能。更重要的是，该导电材料在经250次水洗后，溶液中无肉眼可见的碳纳米材料，且电性能基本没有衰减，可用于大规模柔性导电材料的生产。
本发明提供了一种碳纳米材料-棉纤维复合导电材料的制备方法，其包括下述步骤：(1)以棉织物作为过滤介质，以过滤的方式使含有碳纳米材料的悬浮溶液在常压下流经该过滤介质，干燥；(2)室温下用平板硫化机压制，即得碳纳米材料-棉纤维复合导电材料；其中所述悬浮溶液的溶剂为水。
步骤(1)中，本发明所用的棉织物在使用前，较佳地进行预处理，所述的预处理可采用本领域常规方法进行，一般为将棉织物在去离子水中漂洗5-7次，干燥，从而去除表面杂质。本发明的制备方法能够适用于本领域各种棉织物。
步骤(1)中，所述的碳纳米材料为本领域常规的各种碳纳米材料，如单壁碳纳米管(SWNT)、多壁碳纳米管(MWNT)和氧化石墨烯(GO)中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的外径较佳地为2纳米以下，长度较佳地为2微米以下。所述的氧化石墨烯可采用本领域常规方法进行制备，本发明中优选用由天然鳞片石墨经经典的Hummers法制备得到的氧化石墨烯。Hummers法的参考文献：W.Hummers，R.Offeman，Preparation of GraphiteOxide，Journal of American Chemistry Society，1958，80：1339。
步骤(1)中，所述的悬浮溶液中还可根据需要添加表面活性剂以使碳纳米材料能够均匀分散，尤其当所述悬浮溶液中含有单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管时。所述表面活性剂可选用本领域常规使用的各种两性表面活性剂，只要其能够使得碳纳米材料在水溶液中稳定悬浮即可，较佳地为十二烷基二甲基甜菜碱，十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十二烷基氨基丙酸等中的一种或多种。其中，所述表面活性剂在所述悬浮溶液中的含量可根据本领域常规方法进行选择，较佳地为5-10mg/mL。
步骤(1)中，在所述含有碳纳米材料的悬浮溶液中，所述碳纳米材料的浓度可根据实际生产需要进行选择以调整织物表面碳纳米材料的含量从而控制所得材料的导电性能，所述碳纳米材料的浓度较佳地为0.1-5mg/ml，更佳地为2-5mg/mL。
步骤(1)中，所述的过滤可采用本领域各种常规的过滤方式进行，较佳地在不锈钢过滤器中进行，一般为常压过滤。所述过滤的次数较佳地为1-10次，更佳地为5-10次。
本发明中对于用平板硫化机压制的操作没有特别要求，只要将棉织物压实即可，所述压制的压力一般为10MPa，压制的时间一般为1min。
在本发明一较佳的实施方式中，当所用的碳纳米材料为氧化石墨烯时，将由步骤(1)干燥后的产物与体积比为1∶1的乙醇水溶液混合，在惰性气体保护下采用伽马射线辐照源进行辐照还原，干燥(较佳地于40℃减压烘干)后进行步骤(2)，即室温下用平板硫化机压制，即可。
其中，所述的惰性气体较佳地为氮气。
其中，所述辐射还原即指利用辐照源，在惰性气体保护条件下对浸泡在乙醇水溶液中的氧化石墨烯-棉纤维复合材料辐照至一定剂量，通过还原剂乙醇的作用将氧化石墨烯表面的羧基等含氧官能团还原。所述辐照源可采用本领域辐照交联法中常用的各种伽马射线辐照源，本发明中优选钴60放射源。所述辐照剂量可采用本领域常规方法进行选择，较佳地以使所述还原反应充分交联为宜，一般为25-50kGy，较佳地为30-35kGy。
其中，所述乙醇水溶液的用量以将步骤(1)中干燥后的产物完全浸没即可。
本发明还提供了一种由上述方法制得的碳纳米材料-棉纤维复合导电材料。
本发明还提供了所述的碳纳米材料-棉纤维复合导电材料在用于制备服装用电子设备中的应用。
本发明中，上述优选条件可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的原料和试剂均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
1、本发明提供了一种新型的碳纳米材料-棉纤维复合导电材料的制备方法，该方法反应步骤简便，碳纳米材料利用率高，总用量小，与现有技术中相比具有后处理简单、成本低、适合工业大规模生产等优点。
2、本发明的碳纳米材料-棉纤维复合导电材料具有耐洗涤的优异电性能，且因其特有的柔韧性，适用于服用电子设备的制造，具有重大的经济效益。
具体实施方式
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。
下述实施例中单壁碳纳米管和多壁碳纳米管购于深圳市纳米港有限公司，单壁碳纳米管的外径为2纳米以下，长度为2微米以下。
氧化石墨烯采用Hummers法制得。
实施例1还原氧化石墨烯-棉纤维复合导电材料(材料1)
将直径10cm的棉织物圆盘放入去离子水中漂洗5次。漂洗后的织物于120℃烘箱中干燥至恒重取出；将织物装入过滤器中作为滤布，将浓度为2mg/mL的氧化石墨烯水溶液500mL导入负压过滤器的滤杯中，重复过滤5次后，取出织物，40℃真空烘箱中干燥至恒重，放入盛有200mL 1∶1乙醇水溶液的辐照管中后，对辐照管通氮气保护后，放入钴60放射源中辐照至25kGy后取出，在40℃烘箱中干燥至恒重后，平板硫化机10MPa下压1min取出，即得到含有还原氧化石墨烯的导电材料1。
将材料1依照ACCTCC加速洗涤标准洗涤50次。用四极法测试材料水洗前后的面电阻，测试结果具体见表1。
对比实施例1空白棉纤维织物(对比1)
对实施例1中改性前的棉织物按实施例1的方法测试导电性能，测试结果见表1。
实施例2单壁碳纳米管-棉纤维复合导电材料(材料2)
将直径10cm的棉织物圆盘放入去离子水中漂洗5次。漂洗后的织物于120℃烘箱中干燥至恒重取出；将织物装入过滤器中作为滤布，将浓度为5mg/mL的单壁碳纳米管的表面活性剂水溶液(所用的表面活性剂为十二烷基二甲基甜菜碱，浓度为5mg/mL)500mL导入负压过滤器的滤杯中，重复过滤10次后，取出织物，于120℃烘箱中干燥至恒重后，平板硫化机10MPa下压1min取出，得到导电材料2。
将材料2依照ACCTCC加速洗涤标准洗涤50次。用四极法测试材料水洗前后的面电阻，测试结果具体见表1。
实施例3多壁碳纳米管-棉纤维复合色导电材料(材料3)
将直径10cm的棉织物圆盘放入去离子水中漂洗5次。漂洗后的织物于120℃烘箱中干燥至恒重取出；将织物装入过滤器中作为滤布，将浓度为2mg/mL的多壁碳纳米管的表面活性剂水溶液(所用的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠，浓度为10mg/mL)500mL导入负压过滤器的滤杯中，重复过滤8次后，取出织物，于120℃烘箱中干燥至恒重后，平板硫化机10MPa下压1min取出，得到导电材料3。
将材料3依照ACCTCC加速洗涤标准洗涤50次(相当于正常洗涤250次)。用四极法测试材料水洗前后的面电阻，测试结果具体见表1。
表1.材料导电性能测试结果
Figure BSA00000612284500051

Claims (10)

1.一种碳纳米材料-棉纤维复合导电材料的制备方法，其包括下述步骤：(1)以棉织物作为过滤介质，以过滤的方式使含有碳纳米材料的悬浮溶液在常压下流经该过滤介质，干燥；(2)室温下用平板硫化机压制，即得碳纳米材料-棉纤维复合导电材料；所述悬浮溶液中的溶剂为水。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在所述含有碳纳米材料的悬浮溶液中，所述碳纳米材料的浓度为0.1-5mg/ml，较佳地为2-5mg/mL。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米材料为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和氧化石墨烯中的一种或多种；所述单壁碳纳米管的外径较佳地为2纳米以下，长度较佳地为2微米以下。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：当所述的碳纳米材料为单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管时，所述的悬浮溶液中还包括表面活性剂，所述表面活性剂较佳地为十二烷基二甲基甜菜碱，十二烷基苯磺酸钠和十二烷基氨基丙酸中的一种或多种；和/或所述表面活性剂在所述悬浮溶液中的含量为5-10mg/mL。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：当所用的碳纳米材料为氧化石墨烯时，将步骤(1)干燥后的产物与体积比为1∶1的乙醇水溶液混合，在惰性气体保护下采用伽马射线辐照源进行辐照还原，干燥后进行步骤(2)，即可。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的惰性气体为氮气；所述辐照源为钴60放射源；所述辐照的剂量为25-50kGy，较佳地为30-35kGy。
7.如权利要求1～6中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述的过滤的次数为1-10次，较佳地为5-10次。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的棉织物在使用前在去离子水中漂洗5-7次，干燥，从而去除表面杂质。
9.由权利要求1～8中任一项所述的制备方法制得的碳纳米材料-棉纤维复合导电材料。
10.如权利要求9所述的碳纳米材料-棉纤维复合导电材料在用于制备服装用电子设备中的应用。
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