專利名稱：一種碳納米材料-棉纖維復合導電材料及其制備方法和用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種碳納米材料-棉纖維復合導電織物及其制備方法和用途。
背景技術：
隨著科技的快速發展，對于可穿戴的電子元器件的需求也日益增長，高性能運動服、可穿著的顯示器、新型的便攜設備的能量供應系統以及植入式健康監測設備等迫切需要一種新型的重量輕，柔性可折疊的能量轉換和存儲裝置。纖維是一種通過織造或壓制天然或高分子聚合物得到的多孔材料，例如棉纖維(織造)和聚酯纖維。理想的服用能量供應裝置應將纖維整合其中。通過將納米材料共混在纖維中，已經實現了具有防臭，防紫外， 生物監控特性的服裝的制備。但是目前為止，通常制備碳納米纖維導電材料的方法通常是在紡絲過程中的共混，存在工藝復雜，納米材料用量大，成本昂貴，分散不均等弊端，同時這種方法也不適合一些天然纖維如棉纖維。因而難以在工業中得到實際應用。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于克服了現有的碳納米纖維導電材料都是通過在將纖維與碳納米顆粒共混制得，從而導致制備工藝復雜、納米材料用量大、成本高、分散不均勻等缺陷，提供了一種新的碳納米材料-棉纖維復合導電材料及其制備方法和用途。本發明的復合導電材料為多孔、柔性可折疊的導電復合材料，其不僅具有優異的電性能和機械性能，同時還具備良好的耐化學腐蝕性能。更重要的是，該導電材料在經250次水洗后， 溶液中無肉眼可見的碳納米材料，且電性能基本沒有衰減，可用于大規模柔性導電材料的生產。本發明提供了一種碳納米材料-棉纖維復合導電材料的制備方法，其包括下述步驟(1)以棉織物作為過濾介質，以過濾的方式使含有碳納米材料的懸浮溶液在常壓下流經該過濾介質，干燥；( 室溫下用平板硫化機壓制，即得碳納米材料-棉纖維復合導電材料；其中所述懸浮溶液的溶劑為水。步驟(1)中，本發明所用的棉織物在使用前，較佳地進行預處理，所述的預處理可采用本領域常規方法進行，一般為將棉織物在去離子水中漂洗5-7次，干燥，從而去除表面雜質。本發明的制備方法能夠適用于本領域各種棉織物。步驟(1)中，所述的碳納米材料為本領域常規的各種碳納米材料，如單壁碳納米管(SWNT)、多壁碳納米管(MWNT)和氧化石墨烯(GO)中的一種或多種。所述單壁碳納米管的外徑較佳地為2納米以下，長度較佳地為2微米以下。所述的氧化石墨烯可采用本領域常規方法進行制備，本發明中優選用由天然鱗片石墨經經典的Hummers法制備得到的氧化石墨烯。Hummers 法的參考文獻W. Hummers，R. Offeman，Preparation of Graphite Oxide, Journal of American Chemistry Society，1958，80 :1339。
步驟(1)中，所述的懸浮溶液中還可根據需要添加表面活性劑以使碳納米材料能夠均勻分散，尤其當所述懸浮溶液中含有單壁碳納米管和/或多壁碳納米管時。所述表面活性劑可選用本領域常規使用的各種兩性表面活性劑，只要其能夠使得碳納米材料在水溶液中穩定懸浮即可，較佳地為十二烷基二甲基甜菜堿，十二烷基苯磺酸鈉(SDBQ和十二烷基氨基丙酸等中的一種或多種。其中，所述表面活性劑在所述懸浮溶液中的含量可根據本領域常規方法進行選擇，較佳地為5-10mg/mL。步驟(1)中，在所述含有碳納米材料的懸浮溶液中，所述碳納米材料的濃度可根據實際生產需要進行選擇以調整織物表面碳納米材料的含量從而控制所得材料的導電性能，所述碳納米材料的濃度較佳地為0. l_5mg/ml，更佳地為2_5mg/mL。步驟(1)中，所述的過濾可采用本領域各種常規的過濾方式進行，較佳地在不銹鋼過濾器中進行，一般為常壓過濾。所述過濾的次數較佳地為1-10次，更佳地為5-10次。本發明中對于用平板硫化機壓制的操作沒有特別要求，只要將棉織物壓實即可， 所述壓制的壓力一般為lOMPa，壓制的時間一般為lmin。在本發明一較佳的實施方式中，當所用的碳納米材料為氧化石墨烯時，將由步驟 (1)干燥后的產物與體積比為1 1的乙醇水溶液混合，在惰性氣體保護下采用伽馬射線輻照源進行輻照還原，干燥(較佳地于40°c減壓烘干)后進行步驟O)，即室溫下用平板硫化機壓制，即可。其中，所述的惰性氣體較佳地為氮氣。其中，所述輻射還原即指利用輻照源，在惰性氣體保護條件下對浸泡在乙醇水溶液中的氧化石墨烯-棉纖維復合材料輻照至一定劑量，通過還原劑乙醇的作用將氧化石墨烯表面的羧基等含氧官能團還原。所述輻照源可采用本領域輻照交聯法中常用的各種伽馬射線輻照源，本發明中優選鈷60放射源。所述輻照劑量可采用本領域常規方法進行選擇， 較佳地以使所述還原反應充分交聯為宜，一般為25-50kGy，較佳地為30_35kGy。其中，所述乙醇水溶液的用量以將步驟(1)中干燥后的產物完全浸沒即可。本發明還提供了一種由上述方法制得的碳納米材料-棉纖維復合導電材料。本發明還提供了所述的碳納米材料-棉纖維復合導電材料在用于制備服裝用電子設備中的應用。本發明中，上述優選條件可任意組合，即得本發明各較佳實例。本發明的原料和試劑均市售可得。本發明的積極進步效果在于1、本發明提供了一種新型的碳納米材料-棉纖維復合導電材料的制備方法，該方法反應步驟簡便，碳納米材料利用率高，總用量小，與現有技術中相比具有后處理簡單、成本低、適合工業大規模生產等優點。2、本發明的碳納米材料-棉纖維復合導電材料具有耐洗滌的優異電性能，且因其特有的柔韌性，適用于服用電子設備的制造，具有重大的經濟效益。
具體實施例方式下面用實施例來進一步說明本發明，但本發明并不受其限制。下述實施例中單壁碳納米管和多壁碳納米管購于深圳市納米港有限公司，單壁碳納米管的外徑為2納米以下，長度為2微米以下。氧化石墨烯采用Hummers法制得。實施例1還原氧化石墨烯-棉纖維復合導電材料(材料1)將直徑IOcm的棉織物圓盤放入去離子水中漂洗5次。漂洗后的織物于120°C烘箱中干燥至恒重取出；將織物裝入過濾器中作為濾布，將濃度為ang/mL的氧化石墨烯水溶液500mL導入負壓過濾器的濾杯中，重復過濾5次后，取出織物，40°C真空烘箱中干燥至恒重，放入盛有200mL 1 1乙醇水溶液的輻照管中后，對輻照管通氮氣保護后，放入鈷60放射源中輻照至25kGy后取出，在40°C烘箱中干燥至恒重后，平板硫化機IOMPa下壓Imin取出，即得到含有還原氧化石墨烯的導電材料1。將材料1依照ACCTCC加速洗滌標準洗滌50次。用四極法測試材料水洗前后的面電阻，測試結果具體見表1。對比實施例1空白棉纖維織物(對比1)對實施例1中改性前的棉織物按實施例1的方法測試導電性能，測試結果見表1。實施例2單壁碳納米管-棉纖維復合導電材料(材料2)將直徑IOcm的棉織物圓盤放入去離子水中漂洗5次。漂洗后的織物于120°C烘箱中干燥至恒重取出；將織物裝入過濾器中作為濾布，將濃度為5mg/mL的單壁碳納米管的表面活性劑水溶液(所用的表面活性劑為十二烷基二甲基甜菜堿，濃度為5mg/mL)500mL導入負壓過濾器的濾杯中，重復過濾10次后，取出織物，于120°C烘箱中干燥至恒重后，平板硫化機IOMPa下壓Imin取出，得到導電材料2。將材料2依照ACCTCC加速洗滌標準洗滌50次。用四極法測試材料水洗前后的面電阻，測試結果具體見表1。實施例3多壁碳納米管-棉纖維復合色導電材料(材料3)將直徑IOcm的棉織物圓盤放入去離子水中漂洗5次。漂洗后的織物于120°C烘箱中干燥至恒重取出；將織物裝入過濾器中作為濾布，將濃度為ang/mL的多壁碳納米管的表面活性劑水溶液(所用的表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉，濃度為10mg/mL)500mL導入負壓過濾器的濾杯中，重復過濾8次后，取出織物，于120°C烘箱中干燥至恒重后，平板硫化機 IOMPa下壓Imin取出，得到導電材料3。將材料3依照ACCTCC加速洗滌標準洗滌50次(相當于正常洗滌250次)。用四極法測試材料水洗前后的面電阻，測試結果具體見表1。表1.材料導電性能測試結果
權利要求
1.一種碳納米材料-棉纖維復合導電材料的制備方法，其包括下述步驟(1)以棉織物作為過濾介質，以過濾的方式使含有碳納米材料的懸浮溶液在常壓下流經該過濾介質，干燥；(2)室溫下用平板硫化機壓制，即得碳納米材料-棉纖維復合導電材料；所述懸浮溶液中的溶劑為水。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于在所述含有碳納米材料的懸浮溶液中， 所述碳納米材料的濃度為0. l_5mg/ml，較佳地為2_5mg/mL。
3.如權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述的碳納米材料為單壁碳納米管、多壁碳納米管和氧化石墨烯中的一種或多種；所述單壁碳納米管的外徑較佳地為2納米以下，長度較佳地為2微米以下。
4.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于當所述的碳納米材料為單壁碳納米管和/或多壁碳納米管時，所述的懸浮溶液中還包括表面活性劑，所述表面活性劑較佳地為十二烷基二甲基甜菜堿，十二烷基苯磺酸鈉和十二烷基氨基丙酸中的一種或多種；和/或所述表面活性劑在所述懸浮溶液中的含量為5-10mg/mL。
5.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于當所用的碳納米材料為氧化石墨烯時， 將步驟(1)干燥后的產物與體積比為1 1的乙醇水溶液混合，在惰性氣體保護下采用伽馬射線輻照源進行輻照還原，干燥后進行步驟(2)，即可。
6.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述的惰性氣體為氮氣；所述輻照源為鈷60放射源；所述輻照的劑量為25-50kGy，較佳地為30_35kGy。
7.如權利要求1 6中任一項所述的制備方法，其特征在于所述的過濾的次數為 1-10次，較佳地為5-10次。
8.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中的棉織物在使用前在去離子水中漂洗5-7次，干燥，從而去除表面雜質。
9.由權利要求1 8中任一項所述的制備方法制得的碳納米材料-棉纖維復合導電材料。
10.如權利要求9所述的碳納米材料-棉纖維復合導電材料在用于制備服裝用電子設備中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種碳納米材料-棉纖維復合導電材料的制備方法，其包括下述步驟(1)以棉織物作為過濾介質，以過濾的方式使含有碳納米材料的懸浮溶液在常壓下流經該過濾介質，干燥；(2)室溫下用平板硫化機壓制，即得碳納米材料-棉纖維復合導電材料；所述懸浮溶液中的溶劑為水。本發明還公開了由該方法制得的碳納米材料-棉纖維復合導電材料及其在服裝用電子設備中的用途。本發明的復合導電材料為多孔、柔性可折疊的導電復合材料，其不僅具有優異的電性能和機械性能，同時還具備良好的耐化學腐蝕性能。更重要的是，該導電材料在經250次水洗后，溶液中無肉眼可見的碳納米材料，且電性能基本沒有衰減，可用于大規模柔性導電材料的生產。
文檔編號H01B13/00GK102522138SQ20111036028
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者張伯武, 李景燁, 李林繁, 王自強, 蔣海青, 虞鳴, 鄧波 申請人:中國科學院上海應用物理研究所