CN103320881B - 一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置及方法。所述装置包括线轴Ⅰ、设有穿孔的容器、加热装置、导纱装置和线轴Ⅱ，所述的线轴Ⅰ和线轴Ⅱ均连接有速控电机。所述方法是先将从线轴Ⅰ抽出的碳纳米管纤维由穿孔穿过容器、依次经过加热装置和导纱装置后固定在线轴Ⅱ上，然后将配制的导电聚合物溶液加入容器中，开启速控电机，使碳纳米管纤维以匀速经过导电聚合物溶液，并同时开启加热装置，使形成的复合纤维快速固化；最后使固化后的复合纤维经过导纱装置被收集在线轴Ⅱ上。本发明所制备的复合纤维具有普通纱线的可操作性，可以满足拉伸、织造等后续处理工艺的要求，且适合规模化。

Description

一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置及方法，具体说，是涉及一种以碳纳米管纤维为芯层、以导电聚合物为皮层的皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的制备装置及方法。

背景技术

碳纳米管自1991年被发现开始便成为科学研究的热点，其研究现已涉及到化学、物理、生物、微电子、材料学等多个领域。碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，是由单层或多层石墨层结构围绕中心按一定螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，其具有高强度、超轻量的力学特性以及独特的电学性质。为了能够实现碳纳米管在各个领域的应用，必须将碳纳米管经过组装或与其他材料复合形成宏观尺度的材料，其中碳纳米管纤维技术是最具潜力并且成果显著的方向之一。

目前碳纳米管纤维的制备方法有干法纺丝法，直接纺丝法以及湿法纺丝方法。干法纺丝方法是先采用化学气相沉积法生长出微米级甚至毫米级碳纳米管阵列，再从阵列中抽出一定宽度的碳纳米管薄膜，然后通过加捻技术捻成纤维，这种方法又称为两步法。直接纺丝法是在高温气相反应合成连续碳纳米管的过程中直接通过加捻制备碳纳米管纤维，又称为一步法。湿法纺丝则是将碳纳米管粉体与高聚物混合成分散液，再经过挤压通过凝固浴或者利用静电纺丝方法制备，这种方法制备的碳纳米管纤维含碳量较低，且力学及电学性能均较前两种方法差。

干法纺丝和直接纺丝法方法获得的碳纳米管纤维强度（大于500MPa）和柔韧性均可与目前商用天然纤维或化学纤维相媲美，且其优异的导电性能更赋予了碳纳米管纤维在智能纺织品领域的应用价值。由于碳纳米管纤维直径在5μm～20μm，使单根碳纳米管纤维所承受的最大拉力仅为十几厘牛，甚至几个厘牛，且纤维表面碳纳米管耐磨性较差，并不适合直接织造，因而将碳纳米管纤维与聚合物复合成为进一步应用碳纳米管纤维的必要条件。如中国专利CN101967699B中提到的高性能碳纳米管纤维的制备方法，这种方法是在采用干法纺丝制备碳纳米管纤维的过程中将阵列中抽取的碳纳米管薄膜以热固型聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液浸润，经加捻后形成碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维，对其进行固化处理最终形成碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维。这种复合纤维的直径较碳纳米管纤维直径并未有太大改变，复合纤维中聚酰亚胺的体积百分比仅为5%以下，且聚酰亚胺聚合物成网状结构分散在复合纤维中。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题和应用需求，本发明的目的是提供一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置及方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置，包括线轴Ⅰ、设有穿孔的容器、加热装置、导纱装置和线轴Ⅱ，由线轴Ⅰ抽出的纤维依次经过设有穿孔的容器、加热装置和导纱装置固定在线轴Ⅱ上，所述的线轴Ⅰ和线轴Ⅱ均连接有速控电机。

作为一种优选方案，所述的线轴Ⅰ、设有穿孔的容器、加热装置、导纱装置和线轴Ⅱ依次自下至上垂直排布，所述的穿孔设置在容器底部的中心位置。

所述穿孔的直径优选为30μm～100μm。

所述容器的材质为不锈钢、玻璃或者聚四氟乙烯等耐腐蚀塑料。

所述的容器和加热装置可以为一组或多组。

使用上述装置制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的方法，包括如下步骤：

a)配制导电聚合物溶液，备用；

b)将从线轴Ⅰ抽出的碳纳米管纤维由穿孔穿过容器、依次经过加热装置和导纱装置后固定在线轴Ⅱ上；

c)将步骤a)配制的导电聚合物溶液加入容器中，开启速控电机，使碳纳米管纤维以匀速经过导电聚合物溶液，并同时开启加热装置，使形成的复合纤维快速固化；

d)使固化后的复合纤维经过导纱装置被收集在线轴Ⅱ上。

所述的导电聚合物溶液的质量百分比浓度推荐大于1%，优选为5%～10%。

所述的导电聚合物溶液是由聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氨酯、尼龙、聚酯、纤维素、蚕丝中的至少一种与水、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲酰胺、甲酸、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、甲醇、溴化乙烯基三苯基鳞（又称为Schweizer试剂）中的至少一种配制而成。

所述的导电聚合物溶液中还可适当的加入纳米金属颗粒（例如：纳米银颗粒）以提高复合纤维的导电性。

作为一种优选方案，步骤c)，控制容器中的导电聚合物溶液的深度始终保持在5mm，且控制碳纳米管纤维以0.5mm/s～1mm/s的速度匀速经过导电聚合物溶液，及控制加热区域的温度为60～80℃。

所述的碳纳米管纤维可以是一步法通过化学气相沉积直接纺制而得，也可以是两步法通过对碳纳米管阵列进行干法纺丝制备而得；所述的碳纳米管纤维可以是单根碳纳米管纤维也可以是多根加捻后的合股碳纳米管纤维。

本发明所述的皮芯结构导电碳纳米管复合纤维是一种以碳纳米管纤维为芯层、以导电聚合物为皮层的皮芯结构复合纤维。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、可制得聚合物皮层的体积百分比含量在5%以上，且复合纤维的直径超过10μm的皮芯结构导电碳纳米管复合纤维。

2、所制备的皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的表面均匀光滑，无毛羽，具有优异的抗摩擦性能。

3、所制备的皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的拉伸断裂强度高于50cN，在长度方向上的电导率不低于500S/cm，具有普通纱线的可操作性，可以满足拉伸、织造等后续处理工艺的要求。

4、制备装置简单，制备工艺易操作，可实现连续生产，且制备周期短，适合规模化。

附图说明

图1是实施例1提供的一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维装置的结构示意图；

图2是实施例1所制备的皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的结构示意图；

图3是实施例2提供的一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维装置的结构示意图；

图4是实施例2所制备的皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的结构示意图。

图中：1、线轴Ⅰ；2、容器；21、穿孔；22、导电聚合物溶液；3、加热装置；4、导纱装置；5、线轴Ⅱ；6、速控电机；a、碳纳米管纤维；b、复合纤维；A、芯层；B、皮层；B1、第一皮层；B2、第二皮层。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而非限制本发明的保护范围。

如图1和图3所示：本发明所述的一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置，包括线轴Ⅰ1、设有穿孔的容器2、加热装置3、导纱装置4和线轴Ⅱ5，由线轴Ⅰ1抽出的纤维依次经过设有穿孔的容器2、依次经过加热装置3和导纱装置4后固定在线轴Ⅱ5上，所述的线轴Ⅰ1和线轴Ⅱ5均连接有速控电机6。

作为一种优选方案，所述的线轴Ⅰ1、设有穿孔的容器2、加热装置3、导纱装置4和线轴Ⅱ5依次自下至上垂直排布，所述的穿孔21设置在容器2的底部中心位置；所述的容器2和加热装置3可以为一组（例如图1所示，以用于制备单层皮芯结构的复合纤维）或多组（例如图2所示，以用于制备具有不同聚合物皮层的多层皮芯结构的复合纤维）。

所述穿孔21的直径优选为30μm～100μm，以确保无论是单根碳纳米管纤维还是多根加捻后的合股碳纳米管纤维均能无摩擦的穿过此孔，且能保证容器中的导电聚合物溶液22由于表面张力作用而不会从该孔中渗出。

所述容器2的材质要使用不会被盛装其中的导电聚合物溶液22所腐蚀的材料，可以为不锈钢、玻璃或者聚四氟乙烯等耐腐蚀塑料。

使用上述装置制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的方法，包括如下步骤：

a)配制导电聚合物溶液，备用；

b)将从线轴Ⅰ抽出的碳纳米管纤维由穿孔穿过容器、依次经过加热装置和导纱装置后固定在线轴Ⅱ上；

c)将步骤a)配制的导电聚合物溶液加入容器中，开启速控电机，使碳纳米管纤维以匀速经过导电聚合物溶液，并同时开启加热装置，使形成的复合纤维快速固化；

d)使固化后的复合纤维经过导纱装置被收集在线轴Ⅱ上。

所述的导电聚合物溶液的质量百分比浓度推荐大于1%，优选为5%～10%；所述的导电聚合物溶液是由聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氨酯、尼龙、聚酯、纤维素、蚕丝中的至少一种与水、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲酰胺、甲酸、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、甲醇、溴化乙烯基三苯基鳞（又称为Schweizer试剂）中的至少一种配制而成；所述的导电聚合物溶液中还可适当的加入纳米金属颗粒（例如：纳米银颗粒）以提高复合纤维的导电性。

作为一种优选方案，步骤c)，控制容器中的导电聚合物溶液的深度始终保持在5mm，且控制碳纳米管纤维以0.5mm/s～1mm/s的速度匀速经过导电聚合物溶液，及控制加热区域的温度为60～80℃。

所述的碳纳米管纤维可以是一步法通过化学气相沉积直接纺制而得，也可以是两步法通过对碳纳米管阵列进行干法纺丝制备而得；所述的碳纳米管纤维可以是单根碳纳米管纤维也可以是多根加捻后的合股碳纳米管纤维。

本发明所述的皮芯结构导电碳纳米管复合纤维是一种以碳纳米管纤维为芯层、以导电聚合物为皮层的皮芯结构复合纤维，聚合物皮层的体积百分比含量在5%以上，且复合纤维的直径超过10μm。

实施例1：制备聚乙烯醇/碳纳米管单层皮芯结构复合纤维

a、将5g聚乙烯醇溶于去离子水中，配制成质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇水溶液；

b、使用图1所示装置，将直径约为30μm的碳纳米管纤维a的头端从线轴Ⅰ1上取出，由穿孔21穿过容器2，然后依次经过加热装置3和导纱装置4后固定在线轴Ⅱ5上；

c、将步骤a)配制的聚乙烯醇水溶液加入容器2中，并控制其中的聚乙烯醇水溶液22的深度始终为5mm，打开速控电机6使碳纳米管纤维a以0.5mm/s的速度匀速经过盛装在容器2中的聚乙烯醇水溶液22；同时开启加热装置3，控制加热区域的温度为60～80℃，使被聚乙烯醇水溶液浸润的碳纳米管复合纤维快速固化；使固化后的复合纤维b经过导纱装置4被收集在线轴Ⅱ5上。

图2是所制得的复合纤维的结构示意图，由图2可见：所制备的复合纤维为单层皮芯结构：碳纳米管纤维层为芯层A，导电聚合物层（聚乙烯醇层）为皮层B。

实施例2：制备聚氨酯/聚乙烯醇/碳纳米管多层皮芯结构复合纤维

a、将2.5g聚乙烯醇溶于去离子水中，配制成质量百分比浓度为5%的聚乙烯醇水溶液；将2.5g聚氨酯溶于二甲基甲酰胺中，配制成质量百分比浓度为5%的聚氨酯二甲基甲酰胺溶液；

b、使用图3所示装置，将直径约为30μm的碳纳米管纤维a的头端从线轴Ⅰ1上取出，由穿孔21穿过第一组容器2和加热装置3后再由穿孔21’穿过第二组容器2’和加热装置3’，然后经过导纱装置4固定在线轴Ⅱ5上；

c、将步骤a)配制的聚乙烯醇水溶液加入容器2中及将步骤a)配制的聚氨酯二甲基甲酰胺溶液加入容器2’中，并分别控制盛装其中的聚乙烯醇水溶液和聚氨酯二甲基甲酰胺溶液的深度始终为5mm，打开速控电机6使碳纳米管纤维a以1mm/s的速度依次匀速经过盛装在容器2中的聚乙烯醇水溶液和加热装置3及盛装在容器2’中的聚氨酯二甲基甲酰胺溶液和加热装置3’（均需控制加热区域的温度为60～80℃）；使固化后的复合纤维b经过导纱装置4被收集在线轴Ⅱ5上。

图4是所制得的复合纤维的结构示意图，由图4可见：所制备的复合纤维为多层皮芯结构：碳纳米管纤维层为芯层A，聚乙烯醇层为第一皮层B1，聚氨酯层为第二皮层B2。

实施例3：制备添加纳米银颗粒的聚氨酯/聚乙烯醇/碳纳米管多层皮芯结构复合纤维

本实施例实施例2的不同之处仅在于：在配制聚乙烯醇水溶液和聚氨酯二甲基甲酰胺溶液时，均同时添加10mg纳米银颗粒并采用磁力搅拌器及超生震荡方法使纳米颗粒均匀分散在溶液中。其余操作均与实施例2中所述相同。

本实施例所制备的复合纤维也为多层皮芯结构：碳纳米管纤维层为芯层A，含纳米银颗粒的聚乙烯醇层为第一皮层B1，含纳米银颗粒的聚氨酯层为第二皮层B2。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制；本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置，其特征在于：包括线轴Ⅰ、设有穿孔的容器、加热装置、导纱装置和线轴Ⅱ，由线轴Ⅰ抽出的纤维依次经过设有穿孔的容器、加热装置和导纱装置固定在线轴Ⅱ上，所述的线轴Ⅰ和线轴Ⅱ均连接有速控电机；所述的线轴Ⅰ、设有穿孔的容器、加热装置、导纱装置和线轴Ⅱ依次自下至上垂直排布，所述的穿孔设置在容器底部的中心位置；所述穿孔的直径为30μm～100μm。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述容器的材质为不锈钢、玻璃或者耐腐蚀塑料。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的容器和加热装置为一组或多组。

4.一种使用权利要求1所述装置制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)配制导电聚合物溶液，备用；

b)将从线轴Ⅰ抽出的碳纳米管纤维由穿孔穿过容器、依次经过加热装置和导纱装置后固定在线轴Ⅱ上；

c)将步骤a)配制的导电聚合物溶液加入容器中，开启速控电机，使碳纳米管纤维以匀速经过导电聚合物溶液，并同时开启加热装置，使形成的复合纤维快速固化；

d)使固化后的复合纤维经过导纱装置被收集在线轴Ⅱ上。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的导电聚合物溶液是由聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氨酯、尼龙、聚酯、纤维素、蚕丝中的至少一种与水、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲酰胺、甲酸、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、甲醇、溴化乙烯基三苯基鳞中的至少一种配制而成，所述的导电聚合物溶液的质量百分比浓度大于1%。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的导电聚合物溶液中添加有纳米金属颗粒。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤c)，控制容器中的导电聚合物溶液的深度始终保持在5mm，且控制碳纳米管纤维以0.5mm/s～1mm/s的速度匀速经过导电聚合物溶液，及控制加热区域的温度为60～80℃。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的碳纳米管纤维为单根碳纳米管纤维或多根加捻后的合股碳纳米管纤维。