CN109290099B - 封装碳纳米管纤维原丝的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及封装碳纳米管纤维原丝的方法与装置，封装碳纳米管纤维原丝的装置包括夹持机构，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、安装在所述安装座上的一对夹持臂，以及够可拆卸地安装于一对夹持臂中的一对封装端子。

Description

封装碳纳米管纤维原丝的方法与装置

技术领域

本发明涉及纳米材料生产技术领域，特别是涉及封装碳纳米管纤维原丝的方法与装置。

背景技术

碳纳米管是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取sp2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架，每个碳原子上未参与杂化的p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。管径方向尺度为纳米量级，而在轴向尺度则可达数十至数百微米。碳纳米管表现为典型的一维量子材料，具有许多异常优越的力学、电学和化学性能。

碳纳米管具有可纺性。将千千万万根碳纳米管拧在一起，可以形成丝状的碳纳米管纤维。碳纳米管纤维不仅力学性能超过碳纤维，而且合成、拉制过程简单，能源消耗量及成本低，因此有望在未来取代碳纤维作为次世代的力学增强材料。

然而，碳纳米管纤维的原丝(一级纺丝)由于其直径仍处于纳米或微米尺度，使得其整体承受外力的能力有限。此特性大大削减了碳纳米管原丝的利用性和可操作性，同时影响了将原丝纺织成成品纤维的加工便利性。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术缺陷，为了能对碳纳米管纤维原丝进行更好的利用和后续操作，需要发明一种封装碳纳米管纤维原丝的方法与装置，以对其原始状态进行保护，同时提升其可操作性和加工性。

一种封装碳纳米管纤维原丝的装置，包括夹持机构，和涂层机构。所述夹持机构包括一组平行导轨，安装在平行导轨上的一组滑动导轨，以及安装在滑动导轨上的夹持模组。所述夹持模组由底座，安装在底座上的支架，安装在支架上的安装座，以及安装在安装座上的夹持臂构成。所述夹持臂中能够可拆卸地安装封装端子，所述封装端子与碳纳米管纤维原丝相接触。所述安装座中设置有驱动电机，所述驱动电机可以驱动所述夹持臂做夹持运动。

在其中一个实施例中，一组滑动导轨沿平行导轨移动，根据碳纳米管纤维原丝的长度调整滑动导轨的位置。

在其中一个实施例中，夹持模组沿滑动导轨移动，夹住碳纳米管纤维原丝的两端。

在其中一个实施例中，所述支架可以驱动安装座转动，转动角度为0°～180°。

在其中一个实施例中，所述封装端子由上下两部组成，上下两部相向的两面上，分别具有夹持部收纳部，以及由弹性件弹性固定并支撑至夹持部收纳部外部的夹持部。

在其中一个实施例中，所述夹持部的夹持面积小于所述封装端子的横截面积的一半。

在其中一个实施例中，所述夹持部的夹持面的一端恰位于所述封装端子的纵截面的中心线(自对称中心)上，另一端不超过所述封装端子的相向面的最外沿。

在一个实施例中，所述安装座中设置有加热器，在另一个实施例中，所述加热器产生的热量可以通过夹持臂传导至封装端子处。所述夹持臂为热的良好导体。

在一个实施例中，所述封装端子为热的良好导体。在另一个实施例中，所述封装端子同时为热和电的良好导体。

在一个实施例中，所述涂层机构包括导轨，喷嘴等结构。所述导轨与所述平行导轨平行间隔设置；所述喷嘴可沿所述导轨移动，喷嘴处可喷出涂层液体。

本发明还提供了一种封装碳纳米管纤维原丝的方法。

附图说明

图1为本发明所涉封装碳纳米管纤维原丝的装置的夹持机构的俯视图。

图2为夹持机构中夹持模组的结构图。

图3为涂层机构的侧视图。

图4为图2所示夹持模组的转动示意图。

图5为所述封装端子的结构示意图。

图6-7为所述封装端子对碳纳米管纤维原丝进行夹取时，封装端子形态变化的示意图。

图8-9为所述封装端子对碳纳米管纤维原丝进行夹取的过程示意图。其中，图8的(a)，图8的(b)，图9的(a)，图9的(b)为侧视图，图8的(c)及图9的(c)为俯视图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。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。

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9，图示出本发明的一种较为优选的实施方式。所述封装碳纳米管纤维原丝的装置100包括夹持机构20，用于夹取碳纳米管纤维原丝并对其进行封装。

如图1所示，所述夹持机构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.工作时，滑动导轨22可在平行导轨21上移动，夹持模组23在滑动导轨22上移动，以将夹持模组23移动至适当位置夹取碳纳米管纤维原丝。如图2所示，夹持模组23的数量为两个，可分别夹取碳纳米管纤维原丝的两端。夹持模组23包括底座231、安装在底座231上的支架232、安装在支架232上的安装座233、安装在安装座233内的夹持电机(未示出)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。支架232设置在底座231的中心上，支架232大致呈柱状。底座231内安装有连接支架232的转动机构(未示出)，转动机构可驱动支架232以自中心进行转动，转动的角度为0°～180°，可以精准地控制夹持臂234的工作角度。

安装座233固定在支架232上，工作时，安装座233中的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上可拆卸地安装有封装端子235，封装端子235作为碳纳米管导线的两端，具有上下两部，可分别自由拔插在一对夹持臂234上，便于后续生产时封装端子235与碳纳米管纤维原丝连接后容易从夹持臂234上取出。封装端子235的材质为热的良好导体。在其中一个实施例中，封装端子235上下两部的内表面具有夹持部收纳部236，所述夹持部收纳部236中具有弹性件 (未示出)弹性连接于夹持部237，弹性件为弹簧等弹性物体，夹持部237用于夹持碳纳米管纤维原丝，与原丝直接接触并对其施加压力。夹持部237自封装端子235的内表面向外凸出设置。如图6及图7所示，工作时，当一对夹持臂234对封装端子235施加第一压力F1时，会使夹持部237夹紧碳纳米管纤维原丝，但不会将夹持部237压入封装端子235的夹持部收纳部236内；当夹持臂234对封装端子235施加第二压力F2时，会将夹持部237压入封装端子235的夹持部收纳部236内，使压入后的夹持部237的外表面与封装端子235的内表面处于同一个水平面上。其中，第二压力F2大于第一压力F1。需要指出的是，图示所述各部件的形状仅是概念性的，而非对各部件的实际形状进行限定。

如图8及图9所示，夹持部237的一个侧面处在封装端子235的自对称中心面上，另一个侧面则向外部延伸，其中，靠近拉伸碳纳米管纤维原丝的拉伸装置400一端的封装端子235上的夹持部237向远离碳纳米管纤维原丝延伸方向延伸；在其中一个实施例中，夹持部237的一个侧面可以不位于封装端子235的自对称中心面上，而位于更靠近拉伸装置400一端的方向，但不会越过封装端子235的自对称中心面。靠近碳纳米管纤维原丝固定部ST一端的封装端子235的夹持部237向靠近固定部ST一端的方向延伸。在其中一个实施例中，夹持部237的一个侧面可以不位于封装端子235的自对称中心面上，而位于更靠近固定部ST一端的方向上，但不会越过封装端子235的自对称中心面。在其中一个实施例中，封装端子235的上下两部相向两面的表面涂有经加热后可以粘合的表面材料。

在一个实施例中，安装座233内设置有加热器，可产生热量，通过夹持臂234传导至封装端子235。在一个实施例中，夹持臂234及封装端子235都是良好的热导体。

可选的，平行导轨21的中部设置有检测器29，用于检测碳纳米管纤维原丝当前的高度，并以此为依据调整两个封装端子235夹紧时的距离，使碳纳米管纤维原丝与滑动导轨22平行。

在一个实施例中，封装碳纳米管纤维原丝的装置还包括涂层机构30。请再次参阅图3，涂层机构30平行设置在夹持机构20的一侧，用于向夹持机构20上的带有封装端子235的碳纳米管纤维原丝喷涂涂层液，将涂层液覆盖在外表面，形成保护层。该涂层机构30包括喷涂导轨31、安装在喷涂导轨31上的支架32、安装在支架32上的喷射器33及安装在喷射器33上的喷嘴34。工作时，封装端子235位于喷嘴34的下方，喷涂导轨31与夹持机构20的平行导轨21呈平行设置。支架32可在喷涂导轨31上滑动，喷射器33用于存储涂层液及提供液体喷射力，喷嘴34的出口与两个封装端子235将碳纳米管纤维原丝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，支架32沿喷涂导轨31运动，使得涂层液均匀覆盖在整个碳纳米管纤维原丝的表面。由于碳纳米管纤维的比表面积很大，涂层液会自发均匀地分布于纤维的表面并将其完全覆盖。由于涂层液的反应热及夹持机构20中加热器的双重作用，使得封装端子235内表面上的表面材料经过升温后再重新凝固，使封装端子235的上下两部与碳纳米管纤维原丝的两端牢固地互相结合，形成两端被封装端子235、中间被涂层液包覆而完成封装的碳纳米管纤维原丝。

一个实施例中，涂层机构30还包括连通喷射器33的导液管39，导液管39与液体容器(未示出)连通，为喷射器33提供混合好的涂层液。一个实施例中，涂层液为环氧树脂复合液体，该环氧树脂复合液体包括液态环氧树脂，及固化剂。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，固化后，具有极好的延展性。

在一个实施例中，还包括封装端子补充机构(图未示)。封装端子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补充封装端子235。

下面对所述封装碳纳米管纤维原丝的装置对碳纳米管纤维原丝进行封装的方法进行具体描述。如图8所示，碳纳米管纤维原丝由拉伸装置400拉出，首先夹持机构20移动靠近拉伸装置400一侧的滑动导轨22，使其接近拉伸装置400；之后，移动靠近拉伸装置400一侧的滑动导轨22上的夹持模组23，使其接近碳纳米管纤维原丝，如图8的(a)所示。之后对夹持臂234施加大小为F1的压力，使得其中的封装端子235夹持住碳纳米管纤维原丝，如图8的(b)所示。接着，保持夹持的状态移动滑动导轨22上的夹持模组23，使其回到滑动导轨22上移动前的位置处。

如图9的(a)所示，夹持机构20移动靠近固定装置ST一侧的滑动导轨22，使其接近固定装置ST；之后，移动靠近固定装置ST一侧的滑动导轨22上的夹持模组23，使其接近碳纳米管纤维原丝；之后对夹持臂234施加大小为F1的压力，使得其中的封装端子235夹持住碳纳米管纤维原丝，如图9的(b)所示。接着，保持夹持的状态移动滑动导轨22上的夹持模组23，使其回到滑动导轨22上移动前的位置处。

待两端的夹持模组23都回到夹持前的位置后，如图8的(b)及图8的(c)所示，靠近拉伸装置400一侧的夹持模组23沿箭头所示方向自转90°；之后如图9的(b)及图9的(c)所示，靠近固定装置ST一侧的夹持模组23沿箭头所示方向自转90°。之后通过检测器29来判断碳纳米管纤维原丝此时的位置，利用所获得的位置来调整一对滑动导轨22的相对位置，以使之间的碳纳米管纤维原丝被拉伸至水平状，与平行导轨相平行。最后，分别对一对夹持臂234施加F2以上的力，使得夹持部237被完全压入至夹持部收纳部236的内部。

完成上述步骤后，驱动涂层装置30，按照一侧的封装端子→封装端子与碳纳米管纤维原丝接合处→碳纳米管纤维原丝→另一侧的封装端子与碳纳米管纤维原丝接合处→另一侧的封装端子的顺序，将表面覆盖上包覆涂层液；可选择地，在涂层后，利用安装在安装座233中加热器对整个被封装的碳纳米管纤维原丝进行加热，促进涂层液干燥和硬化。待整个涂层状态稳定后，完成整个封装过程。

在其中一个实施例中，封装端子补充机构向夹持臂234上补充新的封装端子235，以进行下一轮封装工序。

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一种实施方式，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 (5)

1.一种封装碳纳米管纤维原丝的装置，其特征在于，包括夹持机构，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、安装在所述安装座上的一对夹持臂，以及可拆卸地安装于一对夹持臂中的一对封装端子，所述封装端子的上下相向的表面涂有经加热后能够粘合的表面材料；所述安装座内设置有加热器，能产生热量，所产生的热量通过所述夹持臂传导至所述封装端子；

所述封装碳纳米管纤维原丝的装置还包括涂层机构，所述涂层机构平行设置在所述夹持机构的一侧，用于向所述夹持机构上的带有所述封装端子的碳纳米管纤维原丝喷涂涂层液，将所述涂层液覆盖在外表面，形成保护层；所述涂层机构包括喷涂导轨、安装在所述喷涂导轨上的支架、安装在所述支架上的喷射器及安装在所述喷射器上的喷嘴；

工作时，所述封装端子位于所述喷嘴的下方，所述喷涂导轨与所述夹持机构的平行导轨呈平行设置，所述支架在所述喷涂导轨上滑动，所述喷射器用于存储所述涂层液及提供液体喷射力，所述喷嘴的出口与两个封装端子将碳纳米管纤维原丝夹紧时的中心线对齐，使得从所述喷嘴内喷出的涂层液喷洒在碳纳米管纤维原丝的表面，同时，所述支架沿所述喷涂导轨运动，使得所述涂层液均匀覆盖在整个碳纳米管纤维原丝的表面。

2.根据权利要求1所述的封装碳纳米管纤维原丝的装置，其特征在于，所述一对封装端子的相向的两内表面上具有一对夹持部收纳部，所述夹持部收纳部中设置有弹性件，所述弹性件与夹持部弹性连接，当弹性件处于自然状态时，使所述夹持部突出于所述一对封装端子相向的两内表面的表面。

3.根据权利要求2所述的封装碳纳米管纤维原丝的装置，其特征在于，所述夹持部的夹持面面积小于所述封装端子相向面的面积的一半，且全部位于相向面的自中心对称面所划出的一个半面上，所述夹持部的一个侧面位于或不超过所述相向面的自中心对称面上。

4.根据权利要求3所述的封装碳纳米管纤维原丝的装置，其特征在于，所述一对封装端子的所述夹持部的构造呈镜面对称状。

5.根据权利要求1所述的封装碳纳米管纤维原丝的装置，提供一种封装碳纳米管纤维原丝的方法，依次包括下述步骤：

施加大小为F1的力，使夹持部夹住碳纳米管纤维原丝被拉伸端；

施加大小为F1的力，使夹持部夹住碳纳米管纤维原丝被固定端；

将两夹持部分别以相反的方向旋转90°；

调整两夹持部的位置，拉直碳纳米管纤维原丝；

施加大小为F2的力，使夹持部被完全压入夹持部收纳部中；

其中，F2大于F1。