技术领域
[0001] 本
发明属于
碳纤维材料领域，涉及一种碳纳米纤维电缆及其制备方法，具体涉及一种利用
静电纺丝技术制备的碳纳米纤维电缆。
背景技术
[0002] 电缆通常是由几根或几组
导线（每组至少两根）绞合而成，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的
覆盖层将电
力或信息从一处传输到另一处。电缆具有内通电，外绝缘的特征。电缆有电力电缆、补偿电缆、屏蔽电缆、高温电缆、
信号电缆、同轴电缆等等。纳米电缆是指外部壳体和芯部
纳米线是同轴的，芯部为
半导体或导体的纳米线，外层包覆着异质壳体。这类材料由于其独特的结构特点，因而具有丰富的科学内涵，在纳米器件的研究开发中占有重要的地位，引起了研究者们的极大关注。
[0003] 碳纳米纤维是由多层
石墨片卷曲而成的纤维状纳米炭材料，它的直径一般为10nm500 nm，长度分布在0.5μｍ 100 μｍ，是介于纳米碳管和普通碳纤维之间的准一维碳材~ ~
料。碳纳米纤维作为一种新型碳材料，具有优异的物理、力学性能和化学
稳定性，如高的
比表面积、力学强度，较好的
导电性、导热性和
热稳定性等。静电纺丝是一种基于高压静
电场下导电
流体产生高速喷射原理发展而来的不同于常规方法的纺丝技术，所纺纳米纤维具有较细的直径和较大的比表面积。本发明利用静电纺丝技术和碳化方法相结合，制备了一种碳纳米纤维电缆。该连续的碳纳米纤维纱中碳纳米纤维沿纱轴取向，且负载有
铜离子，具有良好的电学、热学
和声学的传导性，在纳米电缆、
电子器件等领域将有非常广泛的运用。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种碳纳米纤维电缆。
[0005] 本发明的技术方案是：一种碳纳米纤维电缆，该电缆由平行取向的具有皮芯结构的碳纳米纤维电缆组成。碳纳米纤维沿轴向加捻，呈
纱线结构。皮层为石墨碳，芯层为铜
纳米粒子，碳纳米纤维表面附着铜纳米粒子。碳纳米纤维的直径为100纳米—400纳米，铜纳米粒子的尺寸为0.5纳米—2.0纳米，碳和铜离子的
质量比为1：0.1-1.0。
[0006] 制备这种碳纳米纤维电缆的方法，其特征在于采用如下步骤：
[0007] （1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在50℃—100℃下搅拌3h—10h，得到质量分数为5%—15%的聚丙烯腈溶液，所述的聚丙烯腈的分子量为50000—
150000；
[0008] （2）将聚甲基
丙烯酸甲酯和
醋酸铜粉末按照质量比为1:0.1-1.0加入到二甲基甲酰胺溶液中，在50℃—100℃下搅拌3h—10h得到混合溶液，所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为20000-23000，醋酸铜的质量分数为5%—15%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为2%—15%；
[0009] （3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成，两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方，正负喷丝头之间的距离14cm—20cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离4cm—10 cm，所述的喷丝头7为三单元同轴结构（图2），由外层，
中间层和内层组成；
[0010] （4）将步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液，利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为30捻/10cm—60捻/10cm的纳米纤维纱线。最外层、中间层和最内层的纺丝溶液流量分别为0.1ml/h—0.3ml/h、0.3ml/h—0.9 ml/h和0.1ml/h—0.3ml/h，纺丝
电压为10 kV -30 kV，纺丝
温度为20 ℃—25 ℃，喇叭转速0-180 r/min，卷绕速度0-50 r/min；
[0011] （5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在240 ℃—300℃温度下进行预
氧化，时间2h—10h，升温速率：1℃/min—10 ℃/min，将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下800℃—
1100℃碳化2h—5h，升温速率：2 ℃/min—10 ℃min，得到碳纳米纤维电缆。
[0012] 本发明制备的碳纳米纤维电缆具有以下优点：
[0013] （1）本发明利用简单的静电纺丝法和碳化工艺，整个制作过程简便易操作，工艺简单，成本低廉，对环境友好；
[0014] （2）碳纳米纤维电缆导电性好，碳纳米纤维之间由铜粒子相互连接，有利于碳纳米纤维之间电子的传输。
附图说明
[0015] 图1为所搭建的静电纺丝装置示意图。其中：1、压力；2、负极；3、正极；4、
电极；5、金属喇叭；6、纳米纤维；7、喷丝头；8、导液管；9、纳米纤维网；10、纳米纤维纱；11、卷绕装置；12、储液罐。
[0016] 图2为所制备的碳纳米纤维电缆的电镜照片。
具体实施方式
[0017] 下面结合实例对本发明进一步描述。
[0018] 一种碳纳米纤维电缆，该电缆由平行取向的具有皮芯结构的碳纳米纤维组成。碳纳米纤维沿轴向加捻，呈纱线结构。皮层为石墨碳，芯层为铜纳米粒子，碳纳米纤维表面附着铜纳米粒子。碳纳米纤维的直径为100纳米—400纳米，铜纳米粒子的尺寸为0.5纳米—2.0纳米，碳和铜离子的质量比为1：0.1-1.0。
[0020] 一种碳纳米纤维电缆的制备方法，采用如下步骤：
[0021] （1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在90℃下搅拌3h，得到质量分数为5%的聚丙烯腈溶液。所述的聚丙烯腈的分子量为50000；
[0022] （2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:0.1加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌3h得到混合溶液。所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为20000，醋酸铜的质量分数为5%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为10%；
[0023] （3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由高压发生器1，喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成。两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方。高压发生器1的负极2和正极3分别与导液管8相连，正负喷丝头之间的距离14cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离4cm。所述的喷丝头7为三单元同轴结构，由外层，中间层和内层组成；
[0024] （4）步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液。利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为30捻/10cm的纳米纤维纱线10，最外层，中间层和最内层的纺丝溶液流量分别0.1ml/h， 0.3ml/h和0.1ml/h。纺丝电压为10 kV，纺丝温度为20 ℃，喇叭转速50 r/min，卷绕速度10 r/min；
[0025] （5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在240 ℃温度下进行预氧化，时间2h，（升温速率：5℃/min）。将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下800℃碳化2h（升温速率：2 ℃/min），得到碳纳米纤维电缆。
[0026] 表1显示了掺杂铜离子的碳纳米纤维的电学性质。碳纳米纤维电缆的表面形态结构的SEM照片如图2所示，由图2可以看出，碳纳米纤维纱线取向良好，纤维呈中空结构，内外表面负载均匀的铜纳米离子，铜纳米离子的尺寸为1.0纳米—10.0纳米，晶格条纹明显。
[0027] 实施例2
[0028] 一种碳纳米纤维电缆的制备方法，采用如下步骤：
[0029] （1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌4h，得到质量分数为10%的聚丙烯腈溶液。所述的聚丙烯腈的分子量为100000；
[0030] （2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:0.5加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌4h得到混合溶液。所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为20000，醋酸铜的质量分数为10%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为10%；
[0031] （3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成。两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方。正负喷丝头之间的距离16 cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离7 cm。所述的喷丝头7为三单元同轴结构由外层，中间层和内层组成；
[0032] （4）步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液。利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为40捻/10cm的纳米纤维纱线。最外层，中间层和最内层的纺丝溶液流量分别0.2ml/h， 0.3ml/h和0.2ml/h。纺丝电压为15 kV，纺丝温度为22 ℃，喇叭转速50 r/min，卷绕速度30 r/min；
[0033] （5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在270 ℃温度下进行预氧化，时间5h，（升温速率：1℃/min）。将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下900℃碳化3h（升温速率：2 ℃/min），得到碳纳米纤维电缆，其电学性质如表1所示。
[0034] 实施例3
[0035] 一种碳纳米纤维电缆的制备方法，采用如下步骤：
[0036] （1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在80℃下搅拌5h，得到质量分数为12%的聚丙烯腈溶液。所述的聚丙烯腈的分子量为150000；
[0037] （2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:0.5加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌5h得到混合溶液。所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为23000，醋酸铜的质量分数为11%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为15%；
[0038] （3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成。两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方。正负喷丝头之间的距离17 cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离6 cm。所述的喷丝头7为三单元同轴结构由外层，中间层和内层组成；
[0039] （4）步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液。利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为50捻/10cm的纳米纤维纱线。最外层，中间层和最内层的纺丝溶液流量分别0.3ml/h， 0.7 ml/h和0.3ml/h。纺丝电压为22 kV，纺丝温度为22℃，喇叭转速100 r/min，卷绕速度40 r/min；
[0040] （5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在280℃温度下进行预氧化，时间5h，（升温速率：1℃/min）。将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下1100℃碳化3h（升温速率：2 ℃/min），得到碳纳米纤维电缆，其电学性质如表1所示。
[0041] 实施例4
[0042] 一种碳纳米纤维电缆的制备方法，采用如下步骤：
[0043] （1）将干燥的聚丙烯腈粉末加入到二甲基甲酰胺溶液中，在80℃下搅拌6h，得到质量分数为15%的聚丙烯腈溶液。所述的聚丙烯腈的分子量为50000；
[0044] （2）将聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸铜粉末按照质量比为1:1加入到二甲基甲酰胺溶液中，在70℃下搅拌4h得到混合溶液。所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为23000，醋酸铜的质量分数为10%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为15%；
[0045] （3）搭建静电纺丝装置（如图1所示），该装置主要由喷丝头7，金属喇叭5，卷绕装置11和储液罐12组成。两个正负极喷头位于金属喇叭5下方两侧，卷绕收集装置11位于金属喇叭5正下方。正负喷丝头之间的距离20 cm，喷头距离喇叭口边缘的垂直距离10 cm。所述的喷丝头7为三单元同轴结构由外层，中间层和内层组成；
[0046] （4）步骤（1）所得聚丙烯腈溶液作为中间层纺丝溶液，将步骤（2）所得混合溶液作为最内层和最外层纺丝溶液。利用步骤（3）所搭建的静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，得到捻度为60捻/10cm的纳米纤维纱线。最外层，中间层和最内层的纺丝溶液流量分别0.1ml/h， 0.5ml/h和0.3ml/h。纺丝电压为25 kV，纺丝温度为25 ℃，喇叭转速160 r/min，卷绕速度50 r/min；
[0047] （5）将步骤（4）所得纳米纤维纱线在280℃温度下进行预氧化，时间5h，（升温速率：5℃/min）。将预氧化得到的纳米纤维纱于氩气氛围下1100℃碳化3h（升温速率：5 ℃/min），得到碳纳米纤维电缆，其电学性质如表1所示。
[0048] 表1 碳纳米纤维电缆的电学性质
[0049]种类 实例1 实例2 实例3 实例4
电导率（s） 2.5634 2.7180 3.7213 3.5214
[0050] 因此，本发明得到的掺杂铜离子的碳纳米纤维纱线电缆材料，具有较好的取向结构，较细的纤维直径和纱线直径，良好的导电性，
电阻率较小，有利于电子的快速传输。实现本发明目的的技术方案是：一种负载金属铜离子的连续加捻的碳纳米纤维纱线，由铜离子和碳纳米纤维纱线组成，碳和铜离子的质量比为1:0.2-1.0。这种功能性碳纳米纤维纱具有较高的长径比、高的
传热导电性能、比较完整的
石墨化结构、良好的化学稳定性、超高的机械强度和模量等优点。
