CN102121191B - 以纤维线作为载体的增强碳纳米管线的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以纤维线作为载体的增强碳纳米管线的制造方法。该方法包括：将碳纳米管溶于有机溶剂中，并进行超声分散，制得碳纳米管悬浮液；盛有悬浮液的容器外，锥形两极通电，形成不均匀电场，干燥的纤维线匀速地进入悬浮液，匀速地在悬浮液中移动；匀速提拉纤维线离开悬浮液液面，并通过滤板上相应的小孔，滤去吸附在纤维线外的多余的碳纳米管；聚合物导线包塑工装中，在纤维线外涂敷聚合物，即可获得以纤维线作为载体的增强碳纳米管线。本发明的特点是：高压的不均匀电场能很快地吸引碳纳米管与纤维线结合，其次是由于抗拉强度和韧性都较好的纤维线作为碳纳米管的载体，可以较快地运行在制造工序中，所以本发明具有较高的工效。
Description
所属技术领域
本发明属于碳纳米管的加工技术领域，特别涉及一种碳纳米管线的制造方法。
背景技术
碳纳米管自从被发现以来，就一直被誉为未来的材料，是近年来国际科学的前沿领域之一。碳纳米管的一些令人感兴趣的特征使得它们在很多领域具有潜在的用途。由于其有用的特性，所以碳纳米管目前用于制造碳纳米管制品，如碳纳米管线或碳纳米管管束。
但是，目前碳纳米管线的机械强度较差，例如在施加外部机械力时易碎和易破裂。这是由于碳纳米管线的碳纳米管是通过相对较弱的范德华力彼此粘附形成的。因而，需要增加碳纳米管线的机械强度来克服其不足。
专利CN101654240A(增强的碳纳米管线)提供一种制造增强的碳纳米管线的技术：将金属尖端浸入碳纳米管胶体溶液中，从碳纳米管胶体溶液中取出金属尖端以形成碳纳米管线，并用聚合物涂敷碳纳米管线。但形成该碳纳米管线的速度很慢，约2mm/分钟至约5mm/分钟。并且制作的长度受限制：其一是由于其制作设备的局限性，其次是以金属尖端从碳纳米管胶体溶液中取出，所形成的碳纳米管线的强度不足，过长的话会由于重力因素而断裂(其说明书中公开的长度为几厘米至数十米)。显然这种碳纳米管线不适合作为长距离的导线。
发明内容
为了解决上述现有技术工效太低和制作长度有限的不足，本发明的目的是提供这样一种增强碳纳米管线的制造方法：在不均匀电场的作用下，碳纳米管迅速进入纤维线的毛细管和吸附在纤维线的外表面，再用聚合物包塑上述碳纳米管线，实现形成增强碳纳米管线。
本发明是这样实现的：
一种以纤维线作为载体的增强碳纳米管线的制造装置，其主要包括容器、单股或多股纤维线、导线轮、滤板和聚合物导线包塑工装，所述容器内置有碳纳米管悬浮液，容器外置有形成不均匀电场的锥形两极；所述纤维线绕于导线轮上，并置于所述容器内的碳纳米管悬浮液中；所述纤维线平行置于锥形两极形成的中心轴线上；所述容器、导线轮、滤板和聚合物导线包塑工装顺序排列。
一种以纤维线作为载体的增强碳纳米管线的制造方法，其包括下述步骤：
1)将碳纳米管溶于有机溶剂中，并进行超声分散，制得碳纳米管悬浮液；
2)盛有悬浮液的容器外，锥形两极通电，形成不均匀电场，干燥的纤维线匀速地进入悬浮液，匀速地在悬浮液中移动；
3)匀速提拉纤维线离开悬浮液液面，并通过滤板上相应的小孔，滤去吸附在纤维线外的多余的碳纳米管；
4)聚合物导线包塑工装中，在步骤3)的纤维线外涂敷聚合物，即可获得以纤维线作为载体的增强碳纳米管线。
所述纤维线为化学纤维线或天然纤维线。
所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或碳纳米管管束。
一种以纤维线作为载体的增强碳纳米管线，其长度在100米以上；聚合物的外层内设有纤维线，在纤维线的毛细管中和纤维线的外表面上设有碳纳米管。
本发明与现有技术相比的特点是：
1)、由于高压的不均匀电场能很快地吸引碳纳米管与纤维线结合，其次是由于抗拉强度和韧性都较好的纤维线作为碳纳米管的载体，可以较快地运行在制造工序中，所以本发明的增强碳纳米管线的制作，具有较高的工效。
2)、由于抗拉强度和韧性都较好的纤维线作为碳纳米管的载体，故本发明的碳纳米管线产品的长度可以根据纤维线的长度而定，可以因此而制作得较长，至少在100米以上。
3)、由于在纤维线毛细管中和纤维线的外表面均有碳纳米管，且碳纳米管之间紧密吸附，又由于有纤维线和聚合物的外层作支撑，故本方法获得的碳纳米管线具有比现有技术更高的抗拉强度和韧性，以及良好的导电性能。
4)、虽然本发明的碳纳米管线比现有技术的碳纳米管线粗，但可以适用于机械强度和导电性要求更高的场合，特别适合做远距离的导线。
附图说明
图1是本发明的制造装置各部件顺序排列的示意图。
图2是本发明的以纤维线作为载体的增强碳纳米管线的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
本发明的制造装置如图1所示，主要包括容器1、单股或多股纤维线2、导线轮3、滤板6和聚合物导线包塑工装10。容器1内置有碳纳米管悬浮液4，容器1外置有形成不均匀电场的锥形两极5；纤维线2绕于导线轮3上，并置于容器1内的碳纳米管悬浮液4中；纤维线2平行于锥形两极5形成的中心轴线上；所述容器1、导线轮3、滤板6和聚合物导线包塑工装10顺序排列。
在制造本发明的碳纳米管线之前，在容器1中将碳纳米管溶于有机溶剂中，溶剂包括为乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷等。溶液需经过长时间超声分散，制得碳纳米管均匀分散的悬浮液4。所用碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或碳纳米管管束。
纤维线2进入碳纳米管悬浮液4前应处于干燥状态，这样有利于碳纳米管进入纤维线2的毛细管中。锥形两极5通电，形成不均匀电场，干燥的纤维线沿着图1中右部的滚轮3匀速地进入悬浮液4中，并在悬浮液4中匀速移动。根据不均匀电场中的导体会自动趋向电场最强点的性质，在悬浮液中呈静电感应状态的碳纳米管，都从周围场强较弱处迅速向电场最强的由锥形两极5形成的中心轴线上聚拢，而纤维线2平行于上述中心轴线上；在不均匀电场的作用下上述碳纳米管立即挤入纤维线2的毛细管中，纤维线2在悬浮液4匀速地移动中不断地接受碳纳米管挤入毛细管，直至毛细管中挤满碳纳米管。未进入毛细管的碳纳米管与毛细管中的碳纳米管异极吸引，吸附在纤维线的外表面上，即使在纤维线离开不均匀电场，提出悬浮液液面，该现象依然存在。
由于上述提出悬浮液液面的纤维线表面通常会吸附着一些太多的碳纳米管，可以通过滤板6上相应的小孔滤去。该相应的小孔的直径可以有选择性地大于上述纤维线的直径，以保证上述纤维线的表面有足够的碳纳米管包络，保证其有良好的导电性。
后续的工序就是进入聚合物导线包塑工装10中，将聚合物涂敷在上述纤维线上，形成增强碳纳米管线。在涂敷聚合物之前，碳纳米管线应处于干燥状态，否则会影响涂敷的质量。干燥的方法：可以自然干燥，或者在50℃-300℃的温度下烘干。
聚合物涂敷后，以纤维线作为载体的增强碳纳米管线的截面如图2的示意图所示。图2中11为聚合物外层，12为纤维线的纤维，13为碳纳米管。其中纤维与相邻的纤维的空间形成纤维线中的毛细管。实际的纤维与相邻的纤维的空间是很小的，否则无法形成毛细现象。有的纤维内部有空腔，也能形成毛细现象。
Claims (1)
1.一种以纤维线作为载体的增强碳纳米管线的制造方法，其特征在于，
制造装置和材料包括：容器、单股或多股纤维线、导线轮、滤板和聚合物导线包塑工装，所述容器内置有碳纳米管悬浮液，容器外置有形成不均匀电场的锥形两极；所述纤维线绕于导线轮上，并置于所述容器内的碳纳米管悬浮液中；所述纤维线平行置于锥形两极形成的中心轴线上；所述容器、导线轮、滤板和聚合物导线包塑工装顺序排列；所述纤维线为化学纤维线或天然纤维线；
制造方法包括下述步骤：
1)将碳纳米管溶于有机溶剂中，并进行超声分散，制得碳纳米管悬浮液；
2)盛有悬浮液的容器外，锥形两极通电，形成不均匀电场，干燥的纤维线匀速地进入悬浮液，匀速地在悬浮液中移动；
3)匀速提拉纤维线离开悬浮液液面，并通过滤板上相应的小孔，滤去吸附在纤维线外的多余的碳纳米管；
4)聚合物导线包塑工装中，在步骤3)的纤维线外涂敷聚合物，即可获得以纤维线作为载体的增强碳纳米管线；所述增强碳纳米管线的长度在100米以上，聚合物的外层内设有纤维线，在纤维线的毛细管中和纤维线的外表面上设有碳纳米管。
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