CN102701185A - 一种碳纳米管的取向方法及取向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管取向的方法，该方法通过在碳纳米管运动途中设置电场装置，让碳纳米管在覆盖到基体表面之前先在空中进行取向，这样碳纳米管取向过程中受到的阻力较小，取向程度较高，从而使取向所需电压变小；电场可以只施加在喷枪前端，也可以只施加在基体的周围空中，还可以既施加在喷枪前端又施加在基体的周围空中，碳纳米管经过两次取向后，其取向程度无疑会更高。与现有技术相比，本发明所述方法会使碳纳米管的取向阻力小、取向程度高并可大规模快速实现。

Description

一种碳纳米管的取向方法及取向装置

技术领域

本发明涉及一种物质取向的方法，特别是一种碳纳米管取向的方法。

背景技术

碳纳米管如果是按一定方向有序排布在基体上，相比无序排布方式更能充分发挥其作用，更有效地大幅提升基体在给定方向上力学、热学或电磁学等性能。

现有技术中，已有关于碳纳米管在液体分散剂环境中，通过电磁或拉拔等方式定向的报道。中国专利CN 200410009281.3公开了一种控制碳纳米管取向的方法，将含有碳纳米管的溶液滴于预制有电极的硅衬底上，按照碳纳米管取向排列要求设计电极形状和结构，在电极上施加交流电，通过控制交流电场的方位及施加交流电场的顺序，实现碳纳米管沿确定方向排列的目的。该专利方法中碳纳米管的取向是在滴于硅衬底上的液滴中完成的，取向排列过程中要克服液体内部的粘性阻力，需要施加很大的外部牵引力，难以实现大面积碳纳米管取向的材料的制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管在非约束状态下取向的方法，同时提供实现碳纳米管非约束状态下取向的装置。 

本发明的目的是这样实现的，以一定方式释放碳纳米管使之处于非约束状态，非约束状态的碳纳米管的运动轨迹穿过预设的电场装置，通过设计电场结构参数，实现非约束状态碳纳米管取向时间和运动时间的匹配；使非约束状态的碳纳米管在运动过程中、在电场作用下完成取向转动，在到达预期基体表面时形成定向排布，从而实现碳纳米管定向覆盖在基体表面的目的。

本发明涉及的碳纳米管取向方法，其特征在于：碳纳米管在非约束状态下取向，操作步骤包括：

（1）根据碳纳米管类型及尺寸、预期排布方式和释放方式，匹配碳纳米管取向轨迹和运动轨迹，设计电场结构参数、电学参数和碳纳米管释放装置、电场与预期基体的相对位置； 

（2）布设碳纳米管释放装置、电场和预期基体；

（3）电场通电，释放碳纳米管，碳纳米管在电场作用下完成取向，覆盖到预期基体表面，实现碳纳米管的定向排布。

本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于：对于单壁碳纳米管，取向电场强度1.5×10⁴v/m~9×10⁵v/m。

本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于：对于多壁碳纳米管，取向电场强度3.2×10⁴v/m~9×10⁵v/m。

       本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于：所述的碳纳米管均匀分散于液体中。

       本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于：述的碳纳米管以干燥形式释放。

本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于：所述碳纳米管释放方式选自喷射、吹扫或自由撒落中的一种。

本发明涉及的碳纳米管取向装置，其特征在于：包括碳纳米管释放装置和电场装置，碳纳米管的运动轨迹穿过电场，结构如附图1所示。

       本发明涉及的碳纳米管取向装置，其特征在于：所述的碳纳米管释放装置和电场装置的相对位置固定。

本发明涉及的碳纳米管取向装置，其特征在于：所述的电场装置设置于基体周围和释放装置前端。

本发明涉及的碳纳米管取向方法，碳纳米管在非约束状态下完成空中取向，取向阻力小，取向效果好，效率高，能耗低，适用基体表面碳纳米管取向，特别适用于大面积基体表面碳纳米管取向。

附图说明

附图1 表示的是本发明方法第一实施例的示意图

附图2 表示的是本发明方法第二实施例的示意图

附图3 表示的是本发明方法第三实施例的示意图

附图4 表示的是本发明方法第四实施例的示意图

其中：1-电极 ，2-喷枪，3-基体，4-喷枪前端的电场管段。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明涉及的技术方案进行进一步的说明，但不作为对技术方案的限制。

本发明涉及的碳纳米管取向方法，是让非约束状态的碳纳米管在电场作用下、于空中完成取向。由于取向转动过程中所受阻力仅为空气粘性阻力，该作用力远小于碳纳米管在电场中的取向作用力，因此，在电场中只要碳纳米管取向后的势能与初始势能之差超过其周围环境介质布朗运动所产生的热能，就可以使其实现取向目的。

碳纳米管在电场中的势能表示为：

                            （1）

  

                      （2）

环境介质布朗运动所产生的热能可以用

来表示。                

这样，非约束状态的碳纳米管要进行取向转动，必须满足下式：

   

                                  （3）

则碳纳米管在电场中取向的最小电场强度可表示为：

   

                        （4）

其中，

为碳纳米管在电场中的势能，P是碳纳米管在电场中的偶极矩，E是电场强度，

是真空介电常数，

是碳纳米管轴向的体积极化率，

是碳纳米管垂直于轴向的体积极化率，

是碳纳米管轴向与电场方向的夹角，

为玻尔兹曼常数，T为介质的绝对温度。

碳纳米管在电场中进行取向转动需要时间，因此，为使碳纳米管在电场中完成取向，其在电场中的停留时间必须要大于取向转动时间。

碳纳米管在电场中的停留时间取决于其释放方向及方式，在释放方式一定的情况下，求出碳纳米管在电场中的最短停留时间。

       碳纳米管在电场中转动所需时间由以下公式算出：

                 （5）

其中，

是空气运动粘度，

是转动摩擦系数。

       由最短

求出最小场强与电场高度的关系，确定了电场高度，从而得到相对该电场高度的最小电场强度，将该最小场强与式（4）得到的最小场强比较，取较大值作为本发明方法中相对该电场高度的最小电场强度；对本发明来说，场强越大，则碳纳米管的取向程度会越高，因此，电场强度小于空气介质的击穿场强即可。对于本发明方法的电场装置结构来说，当释放的是单壁碳纳米管时，所取电场强度范围为1.5×10⁴v/m~9×10⁵v/m；当释放的是多壁碳纳米管时，所取电场强度范围为3.2×10⁴v/m~9×10⁵v/m。

释放时，碳纳米管如果是干燥的，则既可以通过吹扫或自由撒落的方式释放，也可以通过装置，如喷枪来释放。优选的是，在释放之前先将碳纳米管分散于液体中，用超声波作用一段时间形成分散均匀的悬浮液，然后再通过喷枪来释放。另外，碳纳米管的释放方向可以与电场方向呈任意夹角，只需保证其能离开电场并完成取向转动即可。

在本发明中所用的喷枪可以选用普通喷枪，也可以选用喷嘴前端安装电场装置的喷枪，当选用后者时，只要喷枪前端的电场装置能实现本发明目的，则可以不用在基体周围安装电极，从而简化操作流程；当然，既在喷枪前端安装电场装置，又在基体周围安装电极时，碳纳米管在到达基体表面之前会经历两次电场取向，从而提高碳纳米管的取向程度。

碳纳米管完成取向转动离开电场后，覆盖到预先设置的基体表面。

实施例一

       以缠绕成型工艺中，外径3.79nm、内径2nm、长30μm的多壁碳纳米管在30cm宽玻璃纤维束表面90°排布为例对本发明涉及的碳纳米管取向方法的第一个实施例进行详细说明。

设置电场装置。在盛有酚醛树脂胶液的胶槽前方50cm处，纤维束表面上方垂直设置一对宽8cm、高10cm的金属电极1，如图1所示，两个金属电极1的间距为31cm，与纤维束方向平行，电极1下表面距离纤维束表面5cm。 

选取碳纳米管释放装置。本发明方法中选用的碳纳米管释放装置是V-3型喷枪2，其喷嘴口径为0.5mm，出口压力为0.3MPa。

配制碳纳米管悬浮液。将碳纳米管分散于水溶液中，然后使用功率为200w的超声波作用2小时，使之形成碳纳米管重量含量为0.1%的悬浮液。

准备就绪后，将分散有碳纳米管的悬浮液装入喷枪2储罐中。在用喷枪2释放悬浮液之前，先对金属电极1施加频率为5MHz、电压为 9.92千伏的交流电。释放碳纳米管悬浮液，并让玻璃纤维束在外力作用下缓慢向前移动。释放的液滴运动到金属电极1中后，其中碳纳米管表面出现感应电荷，在电场力作用下带动碳纳米管液滴进行取向转动。

释放含碳纳米管的悬浮液时，释放方向优选与电场方向垂直。

为让碳纳米管均匀地覆盖更多区域，所述喷枪2优选固定在装置上，由仪器控制其沿电场方向前后匀速移动。所述金属电极1和喷枪2更优选以位置相对固定的方式放置到装置上，由仪器控制其沿垂直于连续玻璃纤维束的方向匀速移动，这样可以大大缩小两个电极1间的距离，从而降低施加在其上面的交流电压，例如，两个电极1间的距离为5cm，对其施加1.6千伏交流电压。

经过电场取向后，分散有碳纳米管的液滴覆盖到浸有酚醛树脂胶液的玻璃纤维束表面，并随着酚醛树脂胶液的固化固定在玻璃纤维束表面。

       作为本发明的一种改进，本实施例中所用喷枪2也可以在其前端设置电场管段4，该电场管段4由锥角150度的锥形管段和长5cm、内径4cm的平直管段组成。平直管段由长4cm、弧度2/3π的两侧相对弧形金属电极，和其周围的绝缘材料构成，对该电场管段4施加频率为5MHZ、电压为1.28千伏的交流电。这样，碳纳米管会首先在喷枪2前端电场管段4形成的电场中进行第一次取向，然后再运动到由金属电极1形成的电场中进行第二次取向，从而有效提高碳纳米管的取向程度。

实施例2

       与实施例1的不同之处在于，对金属电极施加了频率为5MHz的31万伏交流电压，对喷枪前端电场管段施加了频率为5MHz的4.5万伏交流电压。

实施例3

       与实施例1的不同之处在于，对金属电极施加了频率为5MHz的5万伏交流电压，对喷枪前端电场管段施加了频率为5MHz的1.5万伏交流电压。

实施例4

       以外径2nm、长5μm的单壁碳纳米管在预浸料上90°排布为例对本发明涉及的碳纳米管取向方法的第二个实施例进行详细说明。

       设置电场装置。在工作台平面上固定放置一30cm×50cm的预浸料,在该预浸料的前后两端安装一组金属电极1，如图2所示，该金属电极1与预浸料平面呈一定夹角，该夹角优选30°-60°，其设计宽度为52cm，高度为5cm，两个电极1的间距为31cm，该金属电极1的最低位置处距离预浸料上表面5cm。

选取碳纳米管释放装置。本发明方法中选用的碳纳米管释放装置同实施例1一样，也是V-3型喷枪2，其喷嘴口径为0.5mm，出口压力为0.3MPa。

       配制碳纳米管悬浮液。将碳纳米管分散于氯仿中，然后使用功率为200w的超声波作用2小时，使之形成浓度为0.1mg/ml分散均匀的悬浮液。

       准备工作完成之后，将分散有碳纳米管的氯仿悬浮液装入喷枪2储罐中。释放悬浮液之前，先对金属电极1施加频率为5MHz、电压为27.9万伏的交流电。释放碳纳米管悬浮液，让液滴运动到金属电极1形成的电场中进行取向转动。

释放含碳纳米管的氯仿悬浮液时，释放方向优选与电场方向垂直。

为让碳纳米管均匀地覆盖更多区域，所述喷枪2优选固定在装置上，由仪器控制其沿电场方向前后匀速移动。所述金属电极1和喷枪2更优选以位置相对固定的方式放置到装置上，由仪器控制其沿垂直于连续玻璃纤维束的方向匀速移动，这样可以大大缩小两个电极1间的距离，从而降低施加在其上面的交流电压。

经过电场取向后，分散有碳纳米管的液滴覆盖到预浸料表面，在氯仿挥发后，随着胶液的固化固定在预浸料表面。

       同实施例1一样，本实施例中也可以在喷枪2前端设置电场管段4，对其施加频率为5MHz的4.5万伏交流电压，使碳纳米管进行二次取向，提高碳纳米管的取向程度。

实施例5

       与实施例2不同之处在于，本实施例中没有在预浸料周围设置金属电极1，只依靠喷枪2前端的电场管段4实现碳纳米管的取向转动。

       首先，对喷枪2前端的电场管段4施加频率为5MHZ、电压为1.8千伏的交流电。

       然后，让喷枪2喷嘴以垂直于预浸料表面的方向匀速移动，移动过程中释放悬浮液，如图3所示，单壁碳纳米管在喷枪前端的电场中进行取向，电场取向后覆盖在预浸料表面，氯仿挥发，单壁碳纳米管随树脂的固化固定在预浸料上。

       实施例6

       以外径2nm、长8μm的干燥碳纳米管管束垂直排布在预浸料表面为例对本发明涉及的碳纳米管取向方法的第四个实施例进行详细说明。

       设置电场装置。在30cm×50cm×6cm预浸料上方及底面安装一对金属电极1，如图4所示，该金属电极1的设计宽度为50cm，高度为30cm，两个金属电极1间的距为50cm，下方电极紧贴着预浸料下表面。

       准备就绪后，对金属电极1施加频率为5MHz的7.5千伏交流电压。然后在电场中以自由撒落方式释放干燥碳纳米管管束，碳纳米管在沿电场方向完成取向后，最终以垂直方式落到预浸料表面上。

       当然，本实施例中的干燥碳纳米管还可以以吹扫或喷枪喷射的方式释放到电场中。

Claims (9)

1.一种碳纳米管取向的方法，步骤包括：

（1）根据碳纳米管类型及尺寸、预期排布方式和释放方式，匹配碳纳米管取向轨迹和运动轨迹，设计电场结构参数、电学参数和碳纳米管释放装置、电场与预期基体（3）的相对位置； 

（2）布设碳纳米管释放装置、电场和预期基体（3）；

（3）电场通电，释放碳纳米管，碳纳米管在电场作用下完成取向，覆盖到预期基体（3）表面，实现碳纳米管的定向排布。

2.根据权利要求1所述碳纳米管取向的方法，其特征在于：对于单壁碳纳米管，其取向电场强度范围为1.5×10⁴v/m~9×10⁵v/m。

3.根据权利要求1所述碳纳米管取向的方法，其特征在于：对于多壁碳纳米管，其取向电场强度范围为3.2×10⁴v/m~9×10⁵v/m。

4.根据权利要求1至3任一项所述碳纳米管取向的方法，其特征在于：所述的碳纳米管均匀分散于液体中。

5.根据权利要求1至3任一项所述碳纳米管取向的方法，其特征在于：所述的碳纳米管以干燥形式释放。

6.根据权利要求5所述碳纳米管取向的方法，其特征在于：所述的碳纳米管释放方式选自喷射、吹扫或自由撒落中的一种。

7.一种实现权利要求1所述碳纳米管取向方法的取向装置，其特征在于：包括碳纳米管释放装置和电场装置，所述释放装置所释放碳纳米管的运动轨迹穿过所述电场装置。

8.根据权利要求7所述的取向装置，其特征在于：所述的碳纳米管释放装置和电场装置的相对位置固定。

9.根据权利要求7或8任一项所述的取向装置，其特征在于：所述的电场装置包括设置于所述预期基体（3）周围的金属电极（1）以及设置在释放装置前端的电场管段（4）。

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