一种柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜及制备方法与流程

文档序号：17697827发布日期：2019-05-17 21:48阅读：492来源：国知局

本发明涉及一种导电发热薄膜，具体涉及一种柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜及制备方法。

背景技术：

目前，远红外导电发热产品迅速发展，主要应用于电热理疗功能服装、智能化理疗安全服装、医用远红外治疗舱等。但是，其制成的工业化成品中存在着较多的缺陷，主要表现在：发热材料的表面发热不均匀，温差过大，发热性能不稳定，使用寿命较低，电热材料成品表面泄露电流过大，这些缺陷使得产品质量饱受消费者质疑，同时也带来了极大的安全隐患。

现有的远红外发电产品的制造过程主要是将碳纤维或具有导电远红外发热的组分通过浸渍或涂布到原纸上；多层抄造热压得到复合薄膜。(1)发明专利cn109098029a提出的一种将碳粉分散液涂布或浸渍到麻纤维抄造的原纸上的方法得到一种碳纤维发热纸，但涂布或浸渍的方法碳粉与纤维之间结合较差易脱落，发热不均匀等情况；(2)发明专利cn102226325b提出的一种将碳纤维与碳纳米管经高温碳化得到乱层石墨混合物再通过亲水性改性后分散在水中与浆料混合得到一种远红外碳纤维低温导电发热纸，碳化温度高，加入多种分散剂影响远红外发热性能下降；(3)发明专利cn106488593a提出的一种分多层抄造性能各异的各层通过高温热压得到远红外碳纤维复合薄膜，但分层抄造工艺复杂，原料组分复杂，胶黏剂影响较大。

对位芳纶纤维具有高强度，高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。对位芳纶纳米纤维(aramidnanofibers,anfs)具有独特的纳米尺度结构(直径3-30nm、长度最高可达10μm)、大的长径比和比表面积、同时又保留了芳纶纤维优异的力学性能和耐温性能，使其成为一种新型的构建宏观复合材料的“构筑单元”，起着重要的界面增强与材料增韧作用。anfs既保留了宏观芳纶纤维的大部分性能，包括热稳定性和高结晶度等性能；同时，纳米尺度的anfs为其带来常规宏观芳纶纤维无法实现的机械性能和光学性能。此外，anfs表面丰富的活性基团、大的长径比和比表面积又赋予其纳米材料的优异特性。anfs之间能够产生强的氢键结合形成交联网络结构，具有优异的成膜效果，成膜具有高强、耐高温、透明且柔韧性好等优点，在电气绝缘材料、吸附材料、耐高温过滤膜、超级电容器、锂离子电池隔膜等领域具有巨大的应用前景。

碳纳米管(carbonnanotubes,cnts)的内径在零点几纳米到几十纳米之间，具有很大的长径比。由于碳纳米管独特的管状结构，具有很大的长径比和比表面积，有良好的力学性能、化学稳定性，优异的导电性和导热性，但其极易团聚，难于分散。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜及其制备方法。以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明采用新工艺研发生产出具有远红外发热性能的对位芳纶纳米纤维复合薄膜。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜，以重量份数计，所述的柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜制备原料包括：对位芳纶纳米纤维，30～70份；碳纳米管，70～30份。

一种柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将碳纳米管在浓硫酸及浓硝酸混合溶液中搅拌，得到分散均匀的改性碳纳米管溶液；将dmso/koh体系中的对位芳纶纳米纤维溶液在搅拌作用下，向其中高压注射去离子水，得到分散在dmso/koh/h2o混合体系中的芳纶纳米纤维溶液；

步骤二：将分散在dmso/koh/h2o混合体系中的对位芳纶纳米纤维溶液在真空抽滤下用去离子水和乙醇洗至胶状，然后分散在去离子水得到对位芳纶纳米纤维溶液；

步骤三：向对位芳纶纳米纤维溶液中加入磷酸溶液进行反应，得到改性的对位芳纶纳米纤维溶液；

步骤四：将改性碳纳米管溶液和改性的对位芳纶纳米纤维溶液混合，混合后碳纳米管：对位芳纶纳米纤维质量比为(30-70)：(70-30)，然后经超声分散得到cnts@anfs混合溶液；

步骤五：将cnts@anfs混合溶液进行抄造、干燥得到柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜。

进一步地，步骤一中将碳纳米管在浓硫酸浓硝酸混合溶液中搅拌时，搅拌转速500～1500rpm，温度为30～80℃，且浓硫酸与浓硝酸的质量比为(1～3):1；步骤一中对dmso/koh体系中的对位芳纶纳米纤维溶液搅拌时，搅拌速度为800～1500rpm。

进一步地，步骤一中碳纳米管的直径为20～200nm，长度为1～4μm；对位芳纶纳米纤维的直径为8～15nm、长度为3～8μm。

进一步地，步骤三中改性的对位芳纶纳米纤维溶液浓度为1～2.5mg/ml。

进一步地，步骤三中磷酸溶液质量浓度为10％～50％，反应温度20～70℃，反应时间1h。

进一步地，步骤四中超声功率为500～1500w，超声时间为5～30min。

进一步地，步骤五中将cnts@anfs混合溶液质量浓度稀释为0.1％后进行抄造。

进一步地，步骤五中将cnts@anfs混合溶液在500目的成形网进行抄造。

进一步地，步骤五中干燥温度105℃，干燥时间5min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜，利用具有纳米尺度结构、优异力学性能和电学性能的碳纳米管和优异力学性能的对位芳纶纳米纤维均匀分散得到碳纳米管芳纶纳米纤维复合薄膜，发热均匀，不会掉毛掉分，发热性能稳定。解决了目前远红外纸制造中碳纤维材料表面发热不均匀，发热不稳定，使用寿命较低等问题。

本发明用浓硫酸浓硝酸改性碳纳米管，促进改性碳纳米管与经磷酸改性对位芳纶纳米纤维之间的界面结合作用，促进碳纳米管的分散，分散均匀可以有效解决远红外发热产品发热不均匀的问题，利用碳纳米管作为远红外发热源，以对位芳纶纳米纤维为分散体系制备远红外发热薄膜，充分发挥对位芳纶纳米纤维优异的成膜性能，以及它们表面丰富的功能基团易产生强的网络交联结构的优势，协同改善碳纳米管的分散性能及成膜性能，开发兼具柔性和导电性、低温远红外发热性能的对位芳纶纳米纤维素基新材料，改善了目前柔性发热材料表面发热不均匀，温差过大，发热性能不稳定，使用寿命较低，提升产品档次，可以满足电热理疗功能服装、智能化理疗安全服装、医用远红外治疗舱等应用的要求。

附图说明

图1是本发明制备工艺流程图；

图2是本发明实施例1得到的cnts@anfs复合薄膜的远红外热像仪图；

图3是本发明实施例1得到的cnts@anfs复合薄膜可弯曲时的远红外热像仪图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

一种柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜，以重量份数计，所述的柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜制备原料包括：对位芳纶纳米纤维：30～70份，碳纳米管：70～30份。

参见图1，柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜由以下方法制备：

步骤(1)：碳纳米管a在一定温度的浓硫酸浓硝酸混合溶液中搅拌，搅拌转速500～1500rpm，温度为30～80℃，浓硫酸与浓硝酸的质量浓度比例为1～3:1，得到分散均匀的改性碳纳米管溶液b；其中碳纳米管的直径为20～200nm，长度为1～4μm；

步骤(2)：将dmso/koh体系中的对位芳纶纳米纤维溶液在搅拌作用下，搅拌速度为800～1500rpm，向其中高压注射去离子水，得到分散在dmso/koh/h2o混合体系中的对位芳纶纳米纤维溶液c；其中对位芳纶纳米纤维溶液，所述的对位芳纶纳米纤维是用对位芳纶短切纤维制得，对位芳纶纳米纤维的直径为8～15nm、长度为3～8μm；

步骤(3)：将(2)得到的混合体系中的对位芳纶纳米纤维溶液c，在真空抽滤下用去离子水和乙醇洗至胶状，然后分散在去离子水得到分散在水中的对位芳纶纳米纤维溶液d；

步骤(4)：将(3)得到的溶液d中加入磷酸，磷酸溶液质量浓度为10％～50％，反应温度20～70℃，得到改性的对位芳纶纳米纤维溶液f，改性的对位芳纶纳米纤维溶液浓度为1～2.5mg/ml；

步骤(5)：将(1)得到的改性碳纳米管溶液a和(4)得到的改性的对位芳纶纳米分散液f按比例(改性碳纳米管：对位芳纶纳米纤维质量比为(30～70)：(70～30))混合，经超声分散得到cnts@anfs混合溶液g；超声功率为500～1500w，超声时间为5～30min；

步骤(6)：将(5)得到的混合溶液g稀释至质量浓度为0.1％，然后在500目的成形网抄造、干燥(干燥温度105℃，干燥时间5min)得到柔性远红外发热芳纶纳米纤维薄膜。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

步骤(1)：碳纳米管a在一定温度的浓硫酸浓硝酸混合溶液中搅拌，搅拌转速500rpm，温度为60℃，浓硫酸与浓硝酸的质量比为3:1，得到分散均匀的改性碳纳米管溶液b；

步骤(2)：将dmso/koh体系中的对位芳纶纳米纤维溶液在搅拌作用下，搅拌速度为800rpm，向其中高压注射去离子水，得到分散在dmso/koh/h2o混合体系中的对位芳纶纳米纤维溶液c；

步骤(4)：将(3)得到的溶液d中加入磷酸，磷酸溶液质量浓度为40％，反应温度50℃，得到改性的对位芳纶纳米纤维溶液f；

步骤(5)：将(1)得到的改性碳纳米管溶液b和(4)得到的改性对位芳纶纳米分散液f按比例(碳纳米管：对位芳纶纳米纤维质量比为30:70)混合，经超声分散得到cnts@anfs混合溶液g；超声功率为800w，超声时间为20min；