CN100488750C - 碳颗粒纤维结合技术 - Google Patents

Abstract

碳颗粒，比如碳微丝和碳纳管微粒可以结合成为基本上纯对齐的纤维，这时借助a)在一种可固化液体内分散碳颗粒，b)借助可固化液体和碳颗粒的混合物在一个锥形管内流动向下对齐碳颗粒，以及c)在锥形管的末端附近固化流动的可固化液体的碳颗粒的混合物，以形成一条纤维。可固化液体可以使用紫外线固化。凝固的混合物可以进一步处理，这时借助d)加热纤维，从而使凝固的可固化液体部分的挥发性元素基本上从纤维散发出，e)扭转纤维，以增加密度，f)加热纤维，以烧结纤维内的碳颗粒，以及g)包覆纤维。最终的纤维可以随后缠绕在一个拾取鼓筒上。

Description

碳颗粒纤维结合技术

技术领域

本发明涉及碳颗粒，比如碳纳管微粒和碳微丝，以及更具体地涉及结合碳颗粒成为纤维，在其中碳颗粒是对齐的。

背景技术

碳颗粒，比如碳纳管微粒和碳微丝具有一系列要求性能，包括电性能，力学性能和热传导性能。然而，颗粒是较短的，例如，最长的颗粒的数量级为数微米。不幸的是，这样的长度对于能证明碳颗粒是有利的各种用途通常并不适宜。

同时提交的下列美国申请系列号(Case Creywall 34)结合作为本申请的参考，该申请公开碳颗粒，比如碳微丝和碳纳管微粒可以使用由制造光学纤维方法派生的方法结合成为对齐的纤维。更具体地，碳颗粒是埋入玻璃内，随后拉伸以对齐。“对齐”意味在一个局部附近区域内每个不同的颗粒沿着最长尺寸轴线是基本上平行的。

最终的纤维典型地含有一定数量的玻璃。这种玻璃含量可以增加纤维的强度。尽管如此，可能希望消除或基本上减少纤维的玻璃含量，例如，以达到较大的弹性。在文献中这点经常称为“强度-韧性比”。再者，能够生产的纤维的长度受到由其拉伸的开始物体尺寸的限制。此外，可能希望的是使用尽可能简单的过程在室温下形成纤维。

发明内容

本申请人认识到按照本发明的原理，碳颗粒，比如碳微丝和碳纳管微粒可以结合成为基本上纯对齐纤维，这时借助a)分散碳颗粒在一种可固化的液体内，b)借助可固化液体和碳颗粒的混合物在一个锥形管内向下流，以及c)在锥形管的末端附近区域固化流动的可固化液体和碳颗粒混合物，以形成一条纤维。在本发明的一个实施例中，通过使用紫外线使可固化液体至少部分地固化。

根据纤维的希望的最终性能，可以使用不同的任选步骤，或者是单独的，或者是结合的，以进一步处理凝固化的混合物。这些任选的步骤包括d)加热纤维，人而引起凝固的可固化液体部分的挥发元素基本上从纤维中散发，e)扭转纤维以增加密度，f)加热纤维，以烧结纤维内的碳颗粒，以及g)包覆纤维。进行任何任选的步骤的顺序取决于要制造的纤维的希望的性能。最终的纤维可以随后缠绕在一个拾取鼓筒上。

在本发明的一个实施例中，固化步骤可以至少部分地进行，而这时碳颗粒和可固化液体的混合物仍在锥形管内。例如，如果可固化液体在存在紫外线的条件下固化，锥形管可以具有至少一分段可通过充分数量的紫外线，从而使希望数量的混合物固化。在本发明的另一实施例中，固化步骤是仅当在可固化液体内的碳颗粒从锥形管排出后进行。

在本发明的另一实施例中，碳颗粒或者是碳微丝，或者是碳纳管微粒。

在本发明的又另一实施例中，碳微丝和碳纳管微粒同时使用于制造一条单独的纤维。

附图说明

在附图中：

图1示出按照本发明原理的一个典型方法，用于结合碳颗粒，比如碳微丝和碳纳管微粒成为对齐的纤维。

具体实施方式

下面仅说明本发明的原理。因此可以理解。本领域的熟练人员能够设想不同的安排，它们虽然没有明确地在此处说明或示出，但也体现本发明的原理，并也包括在本发明的精神和范围内。再者，此处列举的全部实例和条件语言原则上仅作为教学目的有意地表达，以帮助读者了解本发明的原理以及发明人对本领域进一步发展的贡献的概念，以及构造为不受这些特别列举的实例和条件的限制。并且全部此处列举的本发明的原理，方面和实施例以及特定的实例有意地包括它们的结构和功能的等同物。此外，有意地使这些等同物包括现在已知的等同物，以及未来发展的等同物，即不管其结构如何，为执行相同功能发展的任何元件。

因此，例如，本领域的技术人员可以理解，此处的任何附图可以代表实施本发明原理的概念图。类似地，可以理解，任何流程表，流程图，状态转移图，伪码或其它等代表不同的过程，它们可以是(但也可以不是)基本上代表计算机内可读的媒体以及从而被一台计算机或处理器执行，无论这样的计算机或处理器是否明确地示出。

在权利要求书中，作为实现一个特定功能的一个方式表达的任何元件有意地包括实现此功能的任何途径，例如可包括a)实现此功能的电或机械元件的一个结合，或b)任何形状的软件，包括固件，微码或其它等与正确的电路相结合用于使软件执行功能，以及匹配至软件控制电路的任何机械元件。这些权利要求限定的本发明属于这样的事实，由所列举方法提供的功能度是结合和结合到一起的，这种方式是权利要求需要的。申请人因此将能提供这些功能度的任何方法作为这里所示的等同物。

除非另有明确的说明，附图不是按照比例绘制的。

图1示出按照本发明原理的一个典型方法的图解，用于结合碳颗粒，比如碳微丝和碳纳管微粒成为对齐的纤维。使用“对齐”意味着在一个局部附近区域内每个不同的颗粒沿着最长尺寸的轴线是基本上平行的。

在图1内示出的是a)烧杯101，b)泵103，c)供料出口105，d)锥形管107，e)紫外线固化灯109，f)滑轮111，g)加热器113，h)扭转平台115，i)加热器117，j)涂覆器119，以及k)拾取鼓筒121。

碳颗粒，例如碳纳管微粒，碳微丝或它们的结合分散在烧杯101内所含的一种紫外线可固化的液体内，通过使用紫外线至少部分地固化。

在本发明的一个典型的实施例中，紫外线可固化液体是异丁烯酸甲酯(95％)与甲基丙烯酸和

基甲醛(anthaceyl methanol)的酯(5％)的共聚物，这样一种紫外线可固化液体在紫外光的参与下，(例如350nm的光)参与下固化。此聚合物可以用溶剂甲苯稀释，以控制流动性能。在本发明的另一实施例中，紫外线可固化液体可以是PS2067，该液体由United Chemical Technologies公司商业供应。

泵103泵送在可固化液体内的分散的碳颗粒由烧杯101通过供料出口105进入锥形管107。借助流动通过锥形管107，使碳颗粒对齐。应注意，锥形管107不需要是一个单独的整件，而可以由各分段组成，以及分段可以由不同的材料制造。锥形管107的各种性能，比如它的长度，孔尺寸和锥度影响碳颗粒的对齐度，以及因此影响最终纤维的最终性能。在本发明的一个实施例中，流动管是一个20cm长的石英玻璃管，带有一个直径5mm的入口和一个直径100μm的出口。类似地，在可固化液体内碳颗粒的浓度和流动速率也影响碳颗粒的对齐程度，以及因此影响最终纤维的最终性能。

在本发明的一个实施例中，可固化液体的流动混合物被照射在其上的来自紫外线固化灯109的紫外线固化，位于锥形管的末端附近区域内，从而形成一条纤维。例如，紫外线固化灯109可以是一个500W高压紫外线灯，发出350nm的光。固化步骤可以至少部分地进行，而这时流动的紫外线可固化液体仍在锥形管107内。为了此目的，锥形管107可以具有至少一个分段，它通过充分数量的紫外线，以允许某些固化。例如，锥形管107的一部分可以用非晶态石英玻璃制造，它是紫外线可透过的。在本发明的另一实施例中，固化仅在紫外线可固化液体的流动混合物从锥形管107排出之后进行。本领域的普通技术人员可以容易地判明，可固化液体至少可以部分地通过使用紫外线以外的其它因素，代替地或补充地使用。施加这些其它因素的器件可以使用于代替或补充紫外线固化灯109。

排出锥形管107之后以及固化的最终纤维110可以例如通过它的冲量或由于重力继续前进。此外，可以采用附加的任选的纤维的处理。

例如，纤维可以围绕滑轮111运转，以及通向加热器113，该加热器加热纤维，从而使凝固的可固化液体部分的挥发性元素基本上从纤维中散失。在此点，纤维基本上是仅由碳组成。

安装在扭转平台上的附加滑轮111可以使用于扭转纤维，以增加它的密度。

纤维可以随后运行通过任选的加热器117，该加热器加热纤维，以烧结纤维内的碳颗粒。优选地可以在扭转之后烧结纤维，因为扭转引起碳颗粒和纤维更接近到一起。

涂覆器119可以用一种任选的包层涂覆纤维。例如，它可以有利地使用一层非传导包层涂覆纤维以用于电用途。在另一方面，对于比如防弹背心这样的用途，没有包层可能是希望的。

应该注意，当有下列步骤时，任何加热，扭转，烧结和涂覆的顺序可由使用者判断以及仅取决于要制造的纤维的希望的性能。最终的纤维随后可以缠绕在拾取鼓筒121上。

有利的是可生产出对齐的碳颗粒纤维，它是基本上没有任何非碳杂质。

Claims (14)

1.一种结合碳颗粒成为至少一条纤维的方法，包括下列步骤：

使碳颗粒和一种可固化液体的混合物从锥形管的一个第一端开始向下流动使上述碳颗粒对齐；

至少在上述锥形管一个第二端附近固化上述流动的混合物，从而形成一条纤维，其中，所述纤维包括所述碳颗粒和所述可固化液体的凝固部分；以及

加热上述纤维以引起所述凝固部分的挥发性元素从纤维中散发出去。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括在上述可固化液体内分散上述碳颗粒以形成上述混合物的步骤。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括扭转上述纤维的步骤。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括增加上述纤维的密度的步骤。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于包括至少烧结在上述纤维内某些上述碳颗粒的步骤。

6.按照权利要求1的方法，其特征在于包括包覆上述纤维的步骤。

7.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述可固化液体含有化合物(i)或化合物(ii)或者含有化合物(i)和化合物(ii)，其中：

化合物(i)是异丁烯酸甲酯与甲基丙烯酸和蒽基甲醛的酯的共聚物；以及

化合物(ii)是PS2067。

8.按照权利要求7的方法，其特征在于，所述PS2067包括硅树脂和引发剂的混合物，引发剂能够促使所述树脂在暴露于紫外光下发生聚合作用。

9.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述碳颗粒含有碳材料(i)或碳材料(ii)或者含有碳材料(i)和碳材料(ii)，其中：

碳材料(i)具有碳纳管微粒，以及

碳材料(ii)至少具有碳微丝。

10.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述固化步骤是至少部分地借助紫外线照射在上述混合物上进行。

11.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述固化至少部分地进行，而这时上述混合物保留在上述锥形管内。

12.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述固化是在上述混合物由上述锥形管排出后至少部分地进行。

13.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述加热纤维的步骤致使所述纤维基本上由碳构成。

14.一种由权利要求1的方法制造的纤维。

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