章贡湿法纺丝技术在碳纳米管纤维中的应用，湿法纺丝技术，碳纳米管纤维制备的关键工艺解析

法纺丝技术在碳纳米管纤维应用中具有重要意义，该技术以大直径、高纯度、超长单壁碳纳米管等为原材料配制液晶溶液，通过施加剪切力提高纤维中碳管取向，与阵列纺丝和直接干法纺丝相比，是实现大规模生产碳纳米管纤维（CNTFs）的有前途策略，如中国科学院金属研究所相关团队开展研究，所制单壁碳纳米管纤维电导率比已有报道提高32%，还通过优化界面结构和结合力制备出核壳结构单壁碳纳米管纤维。

一、湿法纺丝技术在碳纳米管纤维中的发展历程

• 自碳纳米管纤维首次通过湿法技术制备以来，经历了多种分散体系的发展，如表面活性剂、生物质分子、超强质子酸等，并且纤维的纺丝及后处理工艺也在不断优化。

二、湿法纺丝制备碳纳米管纤维的整体技术路线

1. 碳纳米管分散机理
   • 整体分为电荷转移和非共价吸附两种机制。
     • 电荷转移机制是由于质子 - CNTs之间的电子极化，通过引入电荷，增加其静电排斥力，进而实现高效的分散作用。
     • 非共价吸附通过表面活性剂或高分子材料吸附在碳纳米管表面，降低其相互作用力，从而达到稳定分散的效果。
2. 纺丝过程
   • 碳纳米管纤维的结构与性能主要取决于以下关键因素：
     • CNTs纺丝液的均匀性。
     • 纺丝液的流变特性与挤出行为。
     • CNTFs的凝固过程。
3. 后处理工艺
   • 包括多级牵伸和热处理工艺等。在这些过程中，动力学和热力学过程决定了碳纳米管纤维的多级结构变化，包括致密度、取向甚至结晶度，最终影响纤维力学强度、断裂韧性、电导率和热导率等性能。

三、湿法纺丝技术面临的挑战

1. 商业化规模制备方面
   • 必须评估湿法纺丝技术的经济可行性和实验安全性。
   • 要实现碳纳米管纤维的大规模生产，还有几个关键技术问题亟待解决，包括碳纳米管高浓度均匀分散技术、大规模丝束制备技术和连续后处理工艺。
2. 其他关键因素
   • 纤维多尺度界面结构设计，连续化、自动化纺丝工艺，建立标号产品，复合材料制备工艺，增强结构设计，明确应用场景等是实现碳纳米管纤维连续化、规模化制备及应用的关键。

四、湿法纺丝技术的新进展与突破

1. 改善皮芯结构方面
   • 中国科学院金属研究所的研究团队在湿法纺丝工艺中引入空气段，对双壁碳纳米管纺丝细流施加重力牵引以提高纤维的定向性、密实度，同时规避“皮芯结构”的形成，实现了高取向度（取向因子达到0.994）、高致密度（1.96g/cm3）双壁碳纳米管纤维的控制制备，其电导率达1.1×10?S/m、载流量达8.0×10?A/m2，比电导率和比容量达5.62×103S/m2kg?1和4.09×10?A/mkg?1，分别是铜导线的86%和3倍，同时其变温电阻系数仅为铜导线的1/2，有望在未来轻质、高强电缆领域获得实际应用。
2. 提升载流能力方面
   • 有研究通过选用与氯磺酸发生反应的去离子水为凝固浴，在促进纺丝液的双扩散过程充分进行的同时避免了皮芯结构的形成，进而使拉伸应力直接作用于碳纳米管纤维管束，使纺丝液在去离子水中以更大的拉伸应力来平衡纤维成型过程产生的阻力，最终获得了具有高载流密度的超细碳纳米管纤维。

五、湿法纺丝技术下碳纳米管纤维的应用前景

• 在航空航天、国防军工、电子器件等高端领域，碳纳米管纤维因其优异的性能，具有巨大潜力。随着工艺技术的不断成熟和生产成本的降低，碳纳米管纤维有望实现产业化应用。
• 在轻质高强电缆、电加热元件等领域，通过新的湿法纺丝技术制备出的高性能碳纳米管纤维显示出了很好的应用潜力，如高电导率、高载流量等性能使其能够满足这些领域的需求。

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