CN109160506B - 碳纳米管导线的生产装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管导线的生产装置，包括拉丝机构、夹持机构、喷涂机构以及产品输送机构，拉丝机构用于将碳纳米管纺织成碳纳米管纤维；夹持机构用于夹取拉丝机构上的碳纳米管纤维；夹持机构包括平行导轨、滑动导轨及夹持模组；夹持模组包括安装座、夹持电机及夹持臂，夹持臂上可拆卸地安装有电极，电极用于夹持碳纳米管纤维；喷涂机构用于向碳纳米管纤维进行喷涂；产品输送机构用于将碳纳米管纤维从夹持机构上取出。上述的碳纳米管导线的生产装置的工艺简单，各部分的衔接紧凑，全程由程序自动化控制，效率高，以机械代替人工作业，精确地将碳纳米管制成碳纳米管导线，制备出的碳纳米管导线具有轻质、高导电性、强度高等特点。

Description

碳纳米管导线的生产装置

技术领域

本发明涉及纳米材料生产技术领域，特别是涉及一种碳纳米管导线的生产装置。

背景技术

碳纳米管是一种具有特殊结构的一维纳米材料，其径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常优越的力学、电学和化学性能。

目前，虽然在科研领域和市场中出现了很多碳纳米管制成的复合材料导线材料，但是尚未有纯碳纳米管制成的导线产品问世，且大多数的碳纳米管导线的生产只停留在研发阶段，并未明确地指出碳纳米管导线的制造方法，形成一体化生产碳纳米管导线的生产线。

发明内容

基于此，有必要针对目前传统技术存在的问题，提供一种纯碳纳米管导线的生产装置，其工艺简单，自动化程度高，能够制备出轻质、高导电性、强度高的碳纳米管导线。

为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳纳米管导线的生产装置，包括：

拉丝机构，用于将碳纳米管纺织成碳纳米管纤维；

夹持机构，用于夹取所述拉丝机构上的碳纳米管纤维；所述夹持机构包括平行导轨、安装在所述平行导轨上的滑动导轨及安装在所述滑动导轨上的夹持模组；所述夹持模组包括安装座、安装在所述安装座内的夹持电机及连接所述夹持电机的夹持臂，所述夹持臂用于可拆卸地安装电极；

喷涂机构，用于向所述夹持机构上的带有电极的碳纳米管纤维进行喷涂；以及

产品输送机构，用于将由所述喷涂机构喷涂后的带有电极的碳纳米管纤维从所述夹持机构上取出并输送。

上述的碳纳米管导线的生产装置的工艺简单，通过设有拉丝机构、夹持机构、喷涂机构及产品输送机构，各部分的衔接紧凑，全程由程序自动化控制，效率高，以机械代替人工作业，精确地将碳纳米管制成碳纳米管导线，制备出的碳纳米管导线具有轻质、高导电性、强度高等特点。

在其中一个实施例中，所述拉丝机构包括基座、安装在所述基座上的托台、移动模组及安装在所述移动模组上的旋转组件；所述基座上安装有平行设置的一组拉丝导轨，所述拉丝导轨与所述平行导轨呈平行设置；所述移动模组包括位于所述拉丝导轨之间的履带及连接所述履带的驱动电机；所述旋转组件安装在拉丝导轨上且与所述履带联动。

在其中一个实施例中，所述旋转组件包括升降模组、连接所述升降模组的旋转模组及安装在所述旋转模组上的机械镊子；所述升降模组固定在所述拉丝导轨上，所述旋转模组驱动所述机械镊子转动；所述机械镊子内安装有驱动模组，所述驱动模组调节所述机械镊子的镊子两臂间的间距。

在其中一个实施例中，所述拉丝机构上还安装有吹净机构及测量仪，所述吹净机构安装在所述机械镊子的一侧，所述测量仪用于测量所述碳纳米管纤维的宽度。

在其中一个实施例中，所述喷涂机构包括喷涂导轨、安装在所述喷涂导轨上的移动杆、安装在所述移动杆上的喷射器及安装在所述喷射器上的喷嘴，所述喷涂导轨与所述平行导轨呈平行设置，所述移动杆滑动于所述喷涂导轨上，所述喷嘴的出口与所述电极的中心线对齐。

在其中一个实施例中，所述产品输送机构包括运输导轨、安装在所述运输导轨上的移动模组、安装在所述移动模组上的运输机械本体及安装在所述运输机械本体上的机械臂，所述运输导轨与所述喷涂导轨平行设置，所述移动模组滑接在所述运输导轨上，所述机械臂用于夹持所述电极。

在其中一个实施例中，所述安装座内安装有加热器。

在其中一个实施例中，所述平行导轨的中部安装有检测器。

在其中一个实施例中，所述碳纳米管导线的生产装置还包括电极补充机构，所述电机补充机构安装在所述夹持机构的一侧。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的碳纳米管导线的生产装置的拉丝机构与夹持机构的组合示意图，其中拉丝机构为侧视图，夹持机构为俯视图；

图2为图1所示的旋转组件的结构示意图；

图3为图2所示的旋转模组中机械镊子的细节示意图；

图4为图1所示的夹持模组与电极的组合示意图；

图5为本发明的夹持机构与喷涂机构的组合示意图；

图6为本发明的产品输送机构的运输机械本体与机械臂的转动示意图；

图7为图4所示的夹持模组的俯视转动图；

图8为图4所示的夹持模组带动电极夹持的状态图；

图9为图8所示的电极的示意图；

图10为图9所示的电极被施加第一压力F1时的状态图；

图11为图8所示的电极被施加第二压力F2时的状态图；

图12为图6所示的产品输送机构的机械臂的转动示意图；

图13为图1所示的拉丝机构的机械镊子***碳纳米管阵列内的示意图；

图14为图1所示的靠近机械镊子一侧的夹持机构的夹持臂操作电极夹持碳纳米管纤维的一系列操作工序图；其中图14(a)与图14(b)为侧视图，图14(c)为俯视图；

图15为图1所示的靠近托台一侧的夹持机构的夹持臂操作电极夹持碳纳米管纤维的一系列操作工序图；其中图15(a)与图15(b)为侧视图，图15(c)为俯视图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以为直接连接在另一个元件上或者也可以存在另一个元件当中。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是指直接连接到另一个元件之上或者可能同时存在另一个元件当中。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1至图6，为本发明的一较佳实施例的碳纳米管导线的生产装置100，包括拉丝机构10、夹持机构20、喷涂机构30、产品输送机构40及控制***。

请再次参阅图1至图3，拉丝机构10用于固定具有碳纳米管阵列的硅基片，并对碳纳米管阵列进行拉取，将碳纳米管阵列纺织成碳纳米管纤维。具体的，该拉丝机构10包括基座11、安装在基座11上的托台12、移动模组13及安装在移动模组13上的旋转组件14。基座11固定在地板上，用于对托台12、移动模组13等配件的支撑，基座11上安装有平行设置的一组拉丝导轨。托台12位于基座11的一端部，用于固定硅基片，托台12内安装有调节模组，以调节托台12的高度。移动模组13包括位于拉丝导轨之间的履带131及连接履带131的驱动电机132，驱动电机132安装在基座11内，工作时，驱动电机132驱动履带131移动。

请再次参阅图2和图3，旋转组件14安装在拉丝导轨上且与履带131联动，使履带131移动时旋转组件14沿拉丝导轨移动。可选的，旋转组件14包括升降模组140、连接升降模组140的旋转模组141及安装在旋转模组141上的机械镊子142，升降模组140固定在两条拉丝导轨上，以调节旋转模组141相对于拉丝导轨的高度，便于机械镊子142夹取托台12上的碳纳米管；工作时，旋转模组141驱动机械镊子142自转，镊子可顺时针或者逆时针旋转，旋转模组141的转速可调节，由控制***控制。机械镊子142用于夹取碳纳米管，机械镊子142内安装有驱动模组，驱动模组用于调节机械镊子142的镊子两臂间的间距。在其中一实施例中，机械镊子142的表面涂有防粘涂层，以使机械镊子142夹放碳纳米管后它们之间不发生相粘，可选的，防粘涂层为聚四氟乙烯。

在另一实施例中，拉丝机构10上还安装有吹净机构及测量仪(图未示)，吹净机构安装在旋转组件14的机械镊子142的一侧，用于对每次机械镊子142抓取碳纳米管的拉丝后，吹出高压气体将镊子表面的碳纳米管拉丝吹除，以避免影响下次碳纳米管的抓取；测量仪安装在旋转组件14的一侧，测量仪用于测量碳纳米管纤维的宽度。

请再次参阅图1，夹持机构20安装在拉丝机构10的一侧，用于夹取拉丝机构10上的碳纳米管纤维；该夹持机构20包括一对平行导轨21、安装在平行导轨21上的滑动导轨22及安装在滑动导轨22上的夹持模组23，平行导轨21与拉丝机构10上的拉丝导轨呈平行设置，工作时，滑动导轨22在平行导轨21上移动，夹持模组23在滑动导轨22上移动。见图4，夹持模组23的数量为两个，夹持模组23包括底座231、安装在底座231上的支撑杆232、安装在支撑杆232上的安装座233、安装在安装座233内的夹持电机及连接夹持电机的夹持臂234，底座231安装在滑动导轨22上，且可沿滑动导轨22移动，底座231的移动方向与平行导轨21的延伸方向垂直。支撑杆232设置在底座231的中心上，支撑杆232大致呈圆柱状，见图7，底座231内安装有连接支撑杆232的转动模组，转动模组驱动支撑杆232以支撑杆232的圆心进行转动，转动的角度0°～180°。

安装座233固定在支撑杆232上，工作时，夹持电机驱动夹持臂234做夹取运动。夹持臂234为中空柱状设置，夹持臂234的数量为一对，夹持臂234上可拆卸地安装有电极235，电极235作为碳纳米管导线的导电端，电极235可自由拔插在夹持臂234上，便于后续生产时电极235与碳纳米管连接后容易从夹持臂234上取出，电极235的材质为可导电金属，该金属的熔点高于锡的熔点，如铜、铜合金、铝、铝合金等等。在另一实施例中，电极235靠近夹持臂234一端的内表面安装有弹性件236及连接弹性件236的夹持件237，弹性件236安装在电极235内，弹性件236为弹簧等弹性物体，夹持件237用于夹持碳纳米管纤维，其自电极235的内表面向外凸出设置。见图8至图11，工作时，当夹持臂234对夹持件237施加第一压力F1时，会使夹持件237夹紧碳纳米管纤维，但不会将夹持件237压入电极235内；当夹持臂234对夹持件237施加第二压力F2时，会将夹持件237压入电极235内，使压入后的夹持件237的外表面与电极235的内表面处于同一个水平面上。见图14及图15，夹持件237的一个侧面正处在电极235的轴对称中心面上，另一个侧面则向外部延伸，其中，靠近机械镊子142一端的电极235上的夹持件237向靠近机械镊子142的方向延伸，而靠近托台12一端的电极235上的夹持件237向靠近托台12的方向延伸。在其中一实施例中，电极235的外表面上涂有锡薄膜层。

在另一实施例中，安装座233内安装有加热器(图未示)，通过加热器对电极235所夹持的碳纳米管进行加热。

可选的，平行导轨21的中部安装有一对检测器29，检测器29用于检测碳纳米管纤维当前的高度，并以此为依据调整两个电极235夹紧时的距离，使夹在机械镊子142间的碳纳米管纤维与滑动导轨22平行。

请再次参阅图5，喷涂机构30安装在夹持机构20的一侧，用于向夹持机构20上的带有电极235的碳纳米管纤维喷涂涂层液，将涂层液覆盖在碳纳米管纤维上；该喷涂机构30包括喷涂导轨31、安装在喷涂导轨31上的移动杆32、安装在移动杆32上的喷射器33及安装在喷射器33上的喷嘴34，喷涂导轨31与夹持机构20的平行导轨21呈平行设置；移动杆32滑动于喷涂导轨31上，喷射器33用于存储涂层液及提供液体喷射力，工作时，喷嘴34的出口与两个电极235夹紧时的中心线对齐，即碳纳米管纤维被拉直时所在的位置，使得从喷嘴34内喷出的涂层液喷洒在碳纳米管纤维的表面，同时，移动杆32沿喷涂导轨31匀速运动，使得涂层液均匀覆盖在整个碳纳米管纤维的表面，由于碳纳米管纤维的比表面积比较大，涂层液会自发均匀地分布在纤维的表面上。由于涂层液的反应热及夹持机构20的加热器的作用，整根碳纳米管纤维被升温，电极235上的锡涂层会经过熔化后再重新凝固，使碳纳米管纤维的两端与电极235牢固结合，形成两端具有电极235的碳纳米管导线。

在其中一实施例中，喷涂机构30还包括连通喷射器33的导液管39，导液管39与外部的液体容器连通，为喷射器33提供混合好的涂层液。在另一实施例中，涂层液为环氧树脂复合液体。液态环氧树脂为柔软性骨格与具有柔软特性的碳分子链、低极性基团构成的高分子聚合物，或者液态环氧树脂为柔软性骨格与脂肪族骨格构成的高分子聚合物，具体的，液态环氧树脂为环氧树脂EPON Resin 872或者环氧树脂EPICLON EXA-4816。

请再次参阅图6，产品输送机构40安装在靠近喷涂机构30的一端部，用于将由喷涂机构30喷涂后的电极235的碳纳米管纤维导线从夹持机构20的夹持模组23上取出并输送；该产品输送机构40包括运输导轨43、安装在运输导轨43上的移动模组、安装在移动模组上的运输机械本体41及安装在运输机械本体41上的机械臂42，运输导轨43与喷涂机构30的喷涂导轨31平行设置，移动模组滑接在运输导轨43上，以使移动模组带动运输机械本体41在运输导轨43上滑动。机械臂42用于夹持电极235，见图12，工作时，移动模组驱动运输机械本体41及机械臂42转动，使机械臂42夹住电极，之后进行侧向转动将电极235从夹持模组23的夹持臂234中拔出，运输机械本体41驱动夹持臂234进行翻转，同时，运输机械本体41沿运输导轨43移动，将导线运送至卸货区。在其中一实施例中，电极235的外表面设有与机械臂42的形状相嵌合的凹槽，用于稳固机械臂42对电机的夹持。

在另一实施例中，碳纳米管导线的生产装置100还包括电极补充机构(图未示)，电机补充机构安装在夹持机构20的一侧，用于向夹持机构20的夹持臂234补充电极235。

控制***包括控制面板，通过控制面板实现对生产装置100的运行或者停止工作的控制，控制面板上设有切换键，可实现正常程序及调试模式两种控制模式。

操作时，将硅基片固定在托台12上，升降模组140调整机械镊子142的位置，使机械镊子142的下沿高度位置与硅基片的上表面高度位置相等；驱动模组调节机械镊子142的镊子间的间距；见图13，驱动电机132驱动履带131移动，将机械镊子142***碳纳米管阵列内，镊子两臂间的间距为10mm～15mm，机械镊子142深入碳纳米管阵列的深度为0.3mm～1mm。

机械镊子142夹取碳纳米管阵列，移动模组13驱动机械镊子142向远离托台12的方向匀速移动，使得机械镊子142从碳纳米管阵列中拉出纺丝；待机械镊子142完全离开托台12后，旋转模组141驱动机械镊子142转动，同时保持拉伸运动，使得纺丝成为碳纳米管纤维。

当碳纳米管纤维的长度达到期望值后，停止机械镊子142对碳纳米管纤维的拉伸；保持旋转模组141对碳纳米管纤维的旋转，测量仪测量碳纳米管的宽度，当碳纳米管的宽度达到宽度期望值后，停止旋转模组141对碳纳米管纤维的旋转。

见图14，其中CF表示碳纳米管纤维，CL表示中心线；见图14(a)，靠近一夹持模组23沿滑动导轨22移动，使夹持臂234接近碳纳米管纤维，夹持臂234对电极235施加大于F1小于F2的力，使得电极235的两臂相向运动并合拢，使得夹持件237夹住碳纳米管纤维，如图14(b)；之后夹持模组23向远离碳纳米管纤维的方向移动，回到移动前的位置；待夹持模组23回到原来位置后，使转动模组驱动夹持模组23进行如图14(b)所示方向的旋转，转动角度为90°；转动后的碳纳米管纤维在电极中的位置关系如图14(c)所示。

见图15，其中ST表示托台12上的碳纳米管阵列，CF表示碳纳米管纤维，CL表示中心线；见图15(a)，靠近托台12一侧的一夹持模组23沿滑动导轨22移动，使夹持臂234接近碳纳米管纤维，夹持臂234对电极235施加大于F1小于F2的力，使得电极235的两臂相向运动并合拢，使得夹持件237夹住碳纳米管纤维，如图15(b)所示，之后夹持模组23向远离碳纳米管纤维的方向移动，回到移动前的位置；待夹持模组23回到移动前的位置后，使转动模组驱动夹持模组23进行如图15(b)所示方向的，转动角度为90°，转动后的碳纳米管纤维在电极中的位置关系如图15(c)所示。

检测器29检测此时碳纳米管纤维所处的高度，以此微调两电极235之间的间距，使夹在机械镊子142间的碳纳米管纤维被拉直且与滑动导轨22平行；之后两夹持臂234分别对电极235施加大于F2的力并维持不变，夹持件237被压入电极235内，使电极235两臂的内表面相互充分接触，且碳纳米管纤维与电极235的内表面充分接触；

将喷嘴34移动至碳纳米管纤维的上方，向碳纳米管纤维上均匀喷涂涂层液，将涂层液覆盖碳纳米管纤维的表面以及碳纳米管纤维与电极之间的连接部分；启动加热器，对碳纳米管纤维进行加热，锡会经过熔化后再重新凝固，使碳纳米管纤维的两端与电极235的钳部牢固结合，形成两端具有电极235的碳纳米管导线；

机械臂42夹取碳纳米管导线，将碳纳米管导线从夹持臂234中取出，运输机械本体41驱动夹持臂234进行翻转180°，将碳纳米管导线运输至卸货区卸下；电极补充机构向夹持臂234上补充电极235，完成一次生产周期。

上述的碳纳米管导线的生产装置100的工艺简单，通过设有拉丝机构10、夹持机构20、喷涂机构30及产品输送机构40，各部分的衔接紧凑，全程由程序自动化控制，效率高，以机械代替人工作业，精确地将碳纳米管制成碳纳米管导线，制备出的碳纳米管导线具有轻质、高导电性、强度高等特点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种碳纳米管导线的生产装置，其特征在于，包括：

拉丝机构，用于将碳纳米管纺织成碳纳米管纤维；

夹持机构，用于夹取所述拉丝机构上的碳纳米管纤维；

喷涂机构，用于向所述夹持机构上的带有电极的碳纳米管纤维进行喷涂；以及

产品输送机构，用于将由所述喷涂机构喷涂后的带有电极的碳纳米管纤维从所述夹持机构上取出并输送；

其中，

所述夹持机构包括平行导轨、安装在所述平行导轨上的滑动导轨及安装在所述滑动导轨上的夹持模组；

所述夹持模组包括底座、安装在所述底座上的支撑杆、安装在所述支撑杆上的安装座、安装在所述安装座内的夹持电机及连接所述夹持电机的夹持臂，所述夹持臂用于可拆卸地安装电极，所述电极靠近所述夹持臂一端的内表面安装有弹性件及连接弹性件的夹持件，所述弹性件安装在电极内；

所述底座内安装有连接支撑杆的转动模组，所述转动模组用于驱动支撑杆转动。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管导线的生产装置，其特征在于，所述拉丝机构包括基座、安装在所述基座上的托台、移动模组及安装在所述移动模组上的旋转组件；所述基座上安装有平行设置的一组拉丝导轨，所述拉丝导轨与所述平行导轨呈平行设置；所述移动模组包括位于所述拉丝导轨之间的履带及连接所述履带的驱动电机；所述旋转组件安装在拉丝导轨上且与所述履带联动。

3.根据权利要求2所述的碳纳米管导线的生产装置，其特征在于，所述旋转组件包括升降模组、连接所述升降模组的旋转模组及安装在所述旋转模组上的机械镊子；所述升降模组固定在所述拉丝导轨上，所述旋转模组驱动所述机械镊子转动；所述机械镊子内安装有驱动模组，所述驱动模组调节所述机械镊子的镊子间的间距。

4.根据权利要求2所述的碳纳米管导线的生产装置，其特征在于，所述拉丝机构上还安装有吹净机构及测量仪，所述吹净机构安装在所述机械镊子的一侧，所述测量仪用于测量所述碳纳米管纤维的宽度。

5.根据权利要求1所述的碳纳米管导线的生产装置，其特征在于，所述喷涂机构包括喷涂导轨、安装在所述喷涂导轨上的移动杆、安装在所述移动杆上的喷射器及安装在所述喷射器上的喷嘴，所述喷涂导轨与所述平行导轨呈平行设置，所述移动杆滑动于所述喷涂导轨上，所述喷嘴的出口与所述电极的中心线对齐。

6.根据权利要求5所述的碳纳米管导线的生产装置，其特征在于，所述产品输送机构包括运输导轨、安装在所述运输导轨上的移动模组、安装在所述移动模组上的运输机械本体及安装在所述运输机械本体上的机械臂，所述运输导轨与所述喷涂导轨平行设置，所述移动模组滑接在所述运输导轨上，所述机械臂用于夹持所述电极。

7.根据权利要求1所述的碳纳米管导线的生产装置，其特征在于，所述安装座内安装有加热器。

8.根据权利要求1所述的碳纳米管导线的生产装置，其特征在于，所述平行导轨的中部安装有检测器。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的碳纳米管导线的生产装置，其特征在于，所述碳纳米管导线的生产装置还包括电极补充机构，所述电机补充机构安装在所述夹持机构的一侧。

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