CN102372252B - 碳纳米管复合线及其制备方法 - Google Patents
碳纳米管复合线及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102372252B CN102372252B CN201010259961.6A CN201010259961A CN102372252B CN 102372252 B CN102372252 B CN 102372252B CN 201010259961 A CN201010259961 A CN 201010259961A CN 102372252 B CN102372252 B CN 102372252B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon nano
- core
- nano tube
- supporting
- line
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 218
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 205
- -1 Carbon nano tube compound Chemical class 0.000 title claims abstract description 102
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 182
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000002238 carbon nanotube film Substances 0.000 claims description 11
- 241000255789 Bombyx mori Species 0.000 claims description 10
- 229920001872 Spider silk Polymers 0.000 claims description 7
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims description 4
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims description 4
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 3
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 13
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical group [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZCQWOFVYLHDMMC-UHFFFAOYSA-N Oxazole Chemical compound C1=COC=N1 ZCQWOFVYLHDMMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000265 Polyparaphenylene Polymers 0.000 description 2
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 125000005605 benzo group Chemical group 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 2
- SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 1,1-Dichloroethane Chemical class CC(Cl)Cl SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920006231 aramid fiber Polymers 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002079 double walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/168—After-treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B1/002—Devices comprising flexible or deformable elements
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
- Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
- Y10T428/2913—Rod, strand, filament or fiber
- Y10T428/2918—Rod, strand, filament or fiber including free carbon or carbide or therewith [not as steel]
- Y10T428/292—In coating or impregnation
Abstract
本发明公开一种碳纳米管复合线，包括一支撑芯，以及一碳纳米管层。该碳纳米管层环绕该支撑芯设置，并包覆在所述支撑芯外表面。该碳纳米管层为多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成。该碳纳米管复合线具有较高的拉伸强度以及断裂伸长率，可以应用于高强度织物的制造，以及防弹衣的制造。本发明还公开所述碳纳米管复合线的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种含碳纳米管的线材，尤其涉及一种碳纳米管复合线及其制备方法。
背景技术
碳纳米管在力学、电学、热学等领域具有一系列的优异功能，具有广阔的应用前景。但是在一般情况下制备的碳纳米管为微观结构，其在宏观上为颗粒状或粉末状，不利于碳纳米管的宏观应用。因此制备各种宏观的碳纳米管结构成为人们关注的焦点。
范守善等人于2002年成功地从一碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管线，具体请参见文献“Spiningcontinuouscarbonnanotubeyarns”，Nature，V419，p801。所述碳纳米管线由多个首尾相连且基本沿同一方向择优取向排列的碳纳米管组成。然而，由于碳纳米管线中的碳纳米管通过范德华力首尾相连，碳纳米管连接处的机械强度较弱，进而导致所述碳纳米管线的拉伸强度不够大。拉伸强度(tensilestrength)是指材料产生最大均匀塑性变形的应力，在拉伸试验中，试样直至断裂为止所受的最大拉伸应力即为拉伸强度，其结果以MPa表示。当外力作用于该定性排列的碳纳米管线时，碳纳米管线容易被拉断。
为了进一步提高碳纳米管线的拉伸强度，范守善等提出了通过在碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管膜后，将该碳纳米管膜进行扭转，从而获得一具有扭转结构的碳纳米管线。由于该扭转的碳纳米管线中的大部分碳纳米管均呈螺旋状环绕其轴心旋转设置，当拉力作用在该扭转的碳纳米管线的两端时，该首尾相连并螺旋排列的多个碳纳米管不会直接被拉断，而是具有一定的弹性范围，从而相较于非螺旋的碳纳米管线，拉伸强度得到了一定的提高。
然而，该包括多个螺旋排列的碳纳米管的扭转的碳纳米管线由轴心向外具有相同的螺旋度，但其轴心处向外的螺旋半径由小到大，因此，这种扭转的碳纳米管线的轴心处的断裂伸长率(断裂伸长率指的试样在拉断时的位移值与原长的比值)较小，从而会在外力作用下先断裂。在外力作用下，该螺旋排列的碳纳米管扭转线沿着该扭转的碳纳米管线的直径的方向，由内向外逐渐断裂，从而该扭转的碳纳米管线的断裂伸长率不够高，使得其虽然拉伸强度较高，但是仍然具有断裂伸长率低并且弹性小的缺点，限制了扭转碳纳米管线的应用。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较高的断裂伸长率和较高的拉伸强度的碳纳米管复合线及其制备方法。
一种碳纳米管复合线，包括一支撑芯，以及一碳纳米管层。该碳纳米管层为多个碳纳米管通过范德华力相互连接构成。该碳纳米管层环绕该支撑芯设置，并包覆在所述支撑芯外表面。所述支撑芯的断裂伸长率大于5％。
一种碳纳米管复合线的制备方法，包括以下步骤：提供至少一个碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个首尾相连定向排列的碳纳米管；提供一支撑芯，所述支撑芯的断裂伸长率大于5％；将所述至少一个碳纳米管结构沿所述支撑芯延伸的方向连续环绕设置，使得所述至少一个碳纳米管结构包覆于所述支撑芯外表面。
相较于现有技术，本发明的碳纳米管复合线包括支撑芯以及由多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成的环绕该支撑芯的碳纳米管层，并且所述支撑芯的断裂伸长率大于5％。因此，在外力作用于该碳纳米管复合线时，其具有较大的拉伸形变范围，在具有较高的拉伸强度的同时，还具有较大的断裂伸长率，从而具有较好的弹性。
附图说明
图1是本发明第一实施例的碳纳米管复合线的结构示意图。
图2是本发明第一实施例的碳纳米管复合线沿II-II线的剖视图。
图3为本发明第二实施例的碳纳米管复合线的结构示意图。
图4为本发明第二实施例的碳纳米管复合线沿IV-IV线的剖视图。
图5为本发明第三实施例的碳纳米管复合线的结构示意图。
图6为本发明第三实施例的碳纳米管复合线沿VI-VI线的剖视图。
图7为本发明第一实施例的碳纳米管复合线的制备方法的示意图。
图8为本发明第一实施例的碳纳米管线复合线的制备方法中用到的碳纳米管结构的制备方法的示意图。
图9为本发明第一实施例的碳纳米管复合线的制备方法中用到的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图10为本发明第一实施例的碳纳米管复合线的制备方法中用到的碳纳米管线的扫描电镜照片。
主要元件符号说明
碳纳米管复合线10，20，30
支撑芯100
支撑芯结构104
碳纳米管层110
碳纳米管112
碳纳米管结构114
碳纳米管阵列116
支撑芯提供装置120
拉伸扭转装置130
滴瓶140
有机溶142
滴口144
烘干箱146
电机150
卷轴152
具体实施方式
本发明提供一种碳纳米管复合线，该碳纳米管复合线由两部分组成，即一个支撑芯，以及一个碳纳米管层。该碳纳米管层包覆在所述支撑芯的外表面，并将支撑芯的外表面完全覆盖起来。该碳纳米管层由多个碳纳米管通过范德华力相互结合形成，并且该多个碳纳米管的排列具有共同的趋势。具体地，该多个碳纳米管沿着所述支撑芯的长度的方向首尾相连并环绕该支撑芯螺旋延伸。由于该碳纳米管层中的碳纳米管具有这样的排列方式，因此可以将该碳纳米管层看作是多个首尾相连的碳纳米管组成的碳纳米管线围绕所述支撑芯螺旋延伸形成，并且其延伸方向为所述支撑芯长度的方向。因此，相对于首尾相连定向排列的碳纳米管线，该碳纳米管层为一个整体结构并且具有更好的拉伸强度。另外，本发明的碳纳米管复合线中的支撑芯具有较高的断裂伸长率，至少要大于5％，从而所述碳纳米管复合线整体上也具有较好的弹性，并且由于碳纳米管具有非常高的模量及拉伸强度。并且，由碳纳米管组成的碳纳米管层也具有较高的模量和拉伸强度，因此，碳纳米管复合线也即具有较大的拉伸强度，又具有较高的断裂伸长率，从而整体上也具有较好的弹性，可以更好的应用于高强度织物的制造，用该碳纳米管复合线纺织成的织物具有很高强度和弹性，从而在防弹衣上具有很好的优势。
本发明提供的碳纳米管复合线的支撑芯为一线状结构，并且具有柔性。所述支撑芯的拉伸强度大于1GPa，并且该支撑芯在受到拉力时，其断裂伸长率大于5％，优选的要大于10％，其中的断裂伸长率指的试样在拉断时的位移值与原长的比值。该支撑芯可以为自然界中存在的具有高拉伸强度的纤维，也可以是人工合成的纤维，只要其拉伸强度大于1GPa，并且断裂伸长率大于5％即可。并且，由于本发明提供的碳纳米管复合线可用作高强度织物的基础材料，其直径一般要小于0.5毫米，因此本发明中的支撑芯的直径范围在500纳米到10微米之间。本发明的碳纳米管复合线的支撑芯，可以为自然界中的纤维，如蜘蛛丝或蚕丝等，蚕丝的拉伸强度一般是大于1GPa，断裂伸长率要大于10％，一般在15％到25％范围内。而蜘蛛丝的拉伸强度一般是大于1GPa，断裂伸长率更是达到了36％到50％。本发明的碳纳米管复合线的支撑芯，也可以为人工合成的纤维，如聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维，拉伸强度也可以大于5GPa。
本发明提供的碳纳米管复合线还可相互组合，从而形成直径更大的碳纳米管复合线。也就是说，本发明提供的碳纳米管复合线还可以包括多个支撑芯，该多个支撑芯可以相互缠绕并紧密结合，从而形成一个线状的支撑结构，在由多个相互缠绕的支撑芯形成的线状支撑结构的外表面形成一个碳纳米管层。以上两种碳纳米管复合线都是在碳纳米管层与支撑芯的组合的基础上获得的，所以本发明的核心在于将支撑芯与碳纳米管层相结合，从而形成拉伸强度较大并且高断裂伸长率的碳纳米管复合线。本段中提到的两种碳纳米管复合线的具体结构将在具体实施例中详细介绍。
另外，本发明提供的碳纳米管复合线可以作为一些特殊用途的织物的基础材料，用于纺织形成织物。由于碳纳米管本身具有非常轻的质量，和较高的强度，该碳纳米管复合线中的碳纳米管层提供了较高的强度，可以抵挡较强外力的冲击，而支撑芯又具有较高的断裂伸长率，从而使得该碳纳米管复合线同时具有了高拉伸强度以及高强度，以及高断裂伸长率，高弹性的优点。因此，本发明提供的碳纳管复合线可以用于制造质量轻，且拉伸强度高的织物，例如可以用于防弹衣的制造。
以下将结合附图说明本发明提供的碳纳米管复合线，及其制备方法。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种碳纳米管复合线10，其包括一个支撑芯100，以及一个碳纳米管层110。该碳纳米管层110环绕该支撑芯100设置，并且包覆于所述支撑芯100的外表面，并与所述支撑芯100形成一个整体结构。
所述支撑芯100为一个线状的材料。该支撑芯100可以是自然界中存在的纤维，也可以是人工合成的纤维，其拉伸强度至少要大于1GPa，其断裂拉伸率至少要大于5％。自然界中存在的纤维，如蜘蛛丝，蚕丝等都可以作为本发明中的支撑芯100。另外，人工合成的各种拉伸强度大于1GPa的纤维，如聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维，F-12芳纶纤维也可以作为本发明的支撑芯100。该支撑芯100的直径为400纳米至10微米。本实施例中，该支撑芯100为蚕丝，直径为4微米到10微米，其拉伸强度大于1GPa，断裂拉伸率大于15％。
请一并参阅图2，所述碳纳米管层110由多个碳纳米管112通过范德华力相互连接组成。该碳纳米管层110包覆在所述支撑芯100的外表面，并且环绕该支撑芯100与该支撑芯100一起沿相同的方向延伸。该碳纳米管层110中的多个碳纳米管112沿着支撑芯100延伸的方向，或者也可以说是沿着支撑芯100的长度的方向，具有首尾相连螺旋排列的趋势。换句话说，该碳纳米管层110可以看作是由多个碳纳米管线组成，每一个碳纳米管线中的多个碳纳米管均首尾相连且沿着碳纳米管线延伸的方向排列。碳纳米管层110中的多个碳纳米管线是螺旋环绕着所述支撑芯100，并且沿着支撑芯100延伸的方向延伸。由于该碳纳米管层110中的碳纳米管112是围绕支撑芯100首尾相连螺旋排列，该碳纳米管层110具有较高的拉伸强度，在与支撑芯100结合后形成的碳纳米管复合线10，就具有更强的拉伸强度，以及较高的断裂拉伸率。该碳纳米管层110的厚度为500纳米至10微米范围。
本实施例中的碳纳米管复合线10，是通过将碳纳米管线，或者碳纳米管膜螺旋环绕支撑芯100，缠绕于支撑芯100制成，在后面将详细叙述该碳纳米管复合线10的制备方法。
请参见图3及图4，本发明第二实施例进一步提供一碳纳米管复合线20，该碳纳米管复合线20是将多个本发明第一实施例的碳纳米管复合线10进行组合后获得的。所述碳纳米管复合线20，包括多个支撑芯100，以及多个碳纳米管层110。每一个支撑芯100外表面环绕包覆有一个碳纳米管层110。所述碳纳米管层110由多个碳纳米管112组成，且该多个碳纳米管112围绕支撑芯100首尾相连螺旋排列。所述包覆有碳纳米管层110的多个支撑芯100相互缠绕形成一个整体的碳纳米管复合线20。
请参见图5及图6，本发明第三实施例提供一碳纳米管复合线30，该碳纳米管复合线30也是由支撑芯100，以及碳纳米管层110组成。与第一实施例的碳纳米管复合线10不同的是，该碳纳米管复合线30包括多个支撑芯100，该多个支撑芯100相互缠绕，扭转，从而形成由多个支撑芯100组成的绞线状的支撑芯结构104，一个碳纳米管层110包覆在所述支撑芯结构104的外表面。所述碳纳米管层110中的多个碳纳米管112沿着所述支撑芯结构104的延伸方向首尾相连呈螺旋状排列。本实施例提供的碳纳米管复合线30，包括多个支撑芯100，具有更好的拉伸强度以及断裂拉伸率。
本发明提供的碳纳米管复合线10，20，30，均具有较轻的质量，以及较高的拉伸强度和断裂拉伸率，可以用于纺织高强度的织物，从而应用于防弹衣等领域。
本发明提供的碳纳米管复合线10，20，30，在应用时，可单独使用，也可与其他材料的线材复合使用，也可在应用时作为复合材料的骨架使用，具体的使用方式不受限制。
本发明第二实施例及第三实施例提供的碳纳米管复合线20，30与第一实施例的碳纳米管复合线10的结构类似，故仅提供本发明第一实施例碳纳米管复合线10的制备方法，碳纳米管复合线20，30可以在本发明第一实施例碳纳米管复合线10的制备方法的基础上获得。
请参阅图7，本发明第一实施例的碳纳米管复合线10的制备方法包括以下步骤：
第一，提供至少一个碳纳米管结构114。
请一并参阅图8，所述碳纳米管结构114为多个首尾相连，沿同一个择优取向方向排列的碳纳米管112组成，该碳纳米管结构114可以为碳纳米管膜或者是碳纳米管线，该碳纳米管结构114为从一个碳纳米管阵列116中拉取获得。所述碳纳米管结构114的制备方法包括以下步骤：
步骤一：提供一碳纳米管阵列116，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。
本实施例提供的碳纳米管阵列116为单壁碳纳米管阵列，双壁碳纳米管阵列，及多壁碳纳米管阵列中的一种或多种。本实施例中，碳纳米管阵列116为多壁碳纳米管组成的超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：(a)提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为200～400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。该超顺排碳纳米管阵列与上述基底面积基本相同。
本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。
步骤二：采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列116中拉取获得一碳纳米管结构114。
所述碳纳米管结构114的制备方法包括以下步骤：(a)从上述碳纳米管阵列116中选定一定宽度的多个碳纳米管束片段，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带或一针尖接触碳纳米管阵列116以选定一定宽度的多个碳纳米管束片段；(b)以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列116生长方向拉伸该多个碳纳米管束片段，以形成一连续的碳纳米管结构114。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管束片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管束片段分别与其它碳纳米管束片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管结构114。该碳纳米管结构114包括多个首尾相连且沿该碳纳米管结构拉伸方向排列的碳纳米管束。该碳纳米管结构114中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管结构114的拉伸方向，也就是该碳纳米管结构的延伸方向。由于该碳纳米管结构114中的碳纳米管具有非常大的长径比，该碳纳米管结构114具有一定的粘性，可以直接粘附在支撑芯100的外表面。
该碳纳米管结构114为一碳纳米管薄膜或一碳纳米管线。具体地，当所选定的多个碳纳米管束片段的宽度较大时，所获得的碳纳米管结构114为一碳纳米管薄膜，其微观结构请参阅图9；当所选定的多个碳纳米管束片段的宽度较小时，所获得的碳纳米管结构114可近似为一碳纳米管线，微观结构请参阅图10。
第二，提供一个支撑芯100。
该支撑芯100可以通过一个支撑芯提供装置120提供，具体的，可以通过一个拉伸扭转装置130从所述支撑芯提供装置120中拉出一个支撑芯100，本发明的支撑芯100为拉伸强度大于1GPa的纤维，该纤维可以放置于所述支撑芯提供装置120内，待使用时，直接拉出。本实施例中的支撑芯100为蚕丝，直径在5微米至10微米范围内，其拉伸强度大于1GPa的纤维，该蚕丝可以卷成轴放置于支撑芯提供装置120中。
第三，将所述至少一个碳纳米管结构114沿所述支撑芯100延伸的方向，环绕所述支撑芯100设置，并包覆于所述支撑芯100外表面。
请参阅图7，本实施例中可以将两个碳纳米管阵列116设置于所述支撑芯提供装置120两侧，待支撑芯100通过所述拉伸扭转装置130拉出后，将从所述两个碳纳米管阵列116中拉取获得的碳纳米管结构114的一端粘附于所述支撑芯100的表面，另一端位于支撑芯100的一侧并间隔一定间距，然后通过所述拉伸扭转装置130，以支撑芯的轴向为中心线旋转该支撑芯100，从而使得所述碳纳米管结构114螺旋缠绕在所述支撑芯100的外表面，在扭转支撑芯100的同时还可以同时拉伸该支撑芯100，从而通过这样的方式进一步控制碳纳米管层110的厚度。由于该碳纳米管结构114中的碳纳米管具有非常大的长径比，该碳纳米管结构114具有一定的粘性，可以直接粘附在支撑芯100的外表面。
可以理解，可以仅采用一个碳纳米管阵列116供应碳纳米管结构114粘附于所述支撑芯100表面后，旋转支撑芯100制备碳纳米管复合线10。还可采用两个以上的碳纳米管阵列116供应碳纳米管结构114，供应的碳纳米管结构114可以是碳纳米管线也可以是碳纳米管膜。另外，将碳纳米管结构114环绕支撑芯100的方法不限于此，其他方法，比如支撑芯100不动，碳纳米管结构114直接缠绕在其表面等方法都可以，只需确保于支撑芯100表面形成完整的碳纳米管层110包覆于所述支撑芯100即可。
为了进一步提高所述碳纳米管复合线10的碳纳米管层110中碳纳米管的密度，还可以用有机溶剂处理缠绕在所述支撑芯100上的碳纳米管结构114，使得所述碳纳米管结构114在支撑芯100的外表面上收缩，从而提高碳纳米管层110中碳纳米管的密度。
具体地，可以通过试管或滴瓶140将有机溶剂142滴落在所述预处理碳纳米管复合线10的表面，浸润整个碳纳米管复合线10。本实施例中，将一滴瓶140放置于预处理碳纳米管复合线10上方，滴瓶140底部具有一滴口144，有机溶剂142从滴口144滴落于预处理碳纳米管复合线10的表面的碳纳米管层110。该有机溶剂142为易挥发性的有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中所述有机溶剂采用乙醇。该预处理碳纳米管复合线10经有机溶剂142浸润处理后，在挥发性有机溶剂142的表面张力的作用下，该预处理碳纳米管复合线10表面的碳纳米管层110将收缩，从而更加紧密的包覆在所述支撑芯100的外表面。
进一步地，还可以采用一烘干步骤烘干该采用有机溶剂处理后的碳纳米管复合线10。具体地，可以使所述经有机溶剂处理后的碳纳米管复合线10通过一烘干箱146，该烘干箱146的温度为80℃～100℃，使该碳纳米管复合线10碳纳米管层110中的有机溶剂迅速挥发，使得碳纳米管层110中的碳纳米管更紧密排列。另外，也可以采用一吹风机将该经过有机溶剂处理的碳纳米管层110中的有机溶剂吹干。该烘干后的碳纳米管复合线10的直径不小于120微米。本实施例中，所述烘干后的碳纳米管复合线10的直径为200微米。
进一步，收集制得的碳纳米管复合线10。具体为采用电机150将该碳纳米管复合线10缠绕到该电机150的卷轴152上。可以理解，也可采用手工的方法将该碳纳米管复合线10卷到卷轴152上。
可以理解，上述制备碳纳米管复合线10的过程是连续进行的。
所述碳纳米管复合线由支撑芯，和环绕该支撑芯的碳纳米管层组成。并且碳纳米管层为多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成，该多个碳纳米管在所述支撑芯的延伸方向上首尾相连并环绕该支撑芯螺旋排列，由于碳纳米管具有非常好的力学性能，其强度非常高，因此形成的碳纳米管层具有非常高的强度，较好的力学性能。并且所述支撑芯断裂拉伸率较大，大于5％，其具有较高的弹性。因此，在所述碳纳米管复合线的延伸方向上具有较高的拉伸强度和弹性，以及断裂拉伸率，并且该碳纳米管复合线在垂直于碳纳米管层方向上还具有较高的强度，从而可以将该碳纳米管复合线用于高强度织物的制造。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (15)
1.一种碳纳米管复合线，其特征在于，该碳纳米管复合线包括一支撑芯以及一碳纳米管层，所述碳纳米管层由多个碳纳米管通过范德华力相互结合构成，该碳纳米管层环绕该支撑芯设置，并包覆在所述支撑芯外表面，所述支撑芯为蚕丝或者蜘蛛丝。
2.如权利要求1所述的碳纳米管复合线，其特征在于，所述支撑芯的拉伸强度大于1GPa。
3.如权利要求2所述的碳纳米管复合线，其特征在于，所述支撑芯的断裂拉伸率在15％～50％之间。
4.如权利要求3所述的碳纳米管复合线，其特征在于，所述支撑芯的直径为500纳米至10微米。
5.如权利要求1所述的碳纳米管复合线，其特征在于，该多个碳纳米管在所述支撑芯的延伸方向上首尾相连并环绕该支撑芯螺旋排列。
6.如权利要求5所述的碳纳米管复合线，其特征在于，所述碳纳米管层的厚度为500纳米至10微米。
7.如权利要求1所述的碳纳米管复合线，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
8.如权利要求1所述的碳纳米管复合线，其特征在于，所述碳纳米管层由至少一个碳纳米管线螺旋环绕所述支撑芯组成，所述碳纳米管线由多个沿该碳纳米管线延伸方向定向排列的碳纳米管首尾相连组成。
9.如权利要求1所述的碳纳米管复合线，其特征在于，所述碳纳米管层由至少一个碳纳米管膜螺旋环绕所述支撑芯组成，所述碳纳米管膜由多个沿该碳纳米管膜延伸方向定向排列的碳纳米管首尾相连组成。
10.一种碳纳米管复合线，其特征在于，该碳纳米管复合线包括多个支撑芯，以及一个碳纳米管层，所述多个支撑芯相互缠绕形成一个支撑芯结构，该碳纳米管层环绕该支撑芯结构设置，并包覆在所述支撑芯结构的外表面，所述支撑芯为蚕丝或者蜘蛛丝。
11.如权利要求10所述的碳纳米管复合线，其特征在于，所述碳纳米管层由多个碳纳米管通过范德华力相互结合构成，该多个碳纳米管在所述支撑芯结构的延伸方向上首尾相连并环绕该支撑芯结构螺旋排列。
12.一种碳纳米管复合线，其特征在于，该碳纳米管复合线包括多个支撑芯以及多个碳纳米管层，每一个碳纳米管层环绕相应的一个支撑芯设置，并包覆在所述支撑芯的外表面，所述碳纳米管层由多个碳纳米管通过范德华力相互结合构成，该多个碳纳米管在所述支撑芯的延伸方向上首尾相连并环绕该支撑芯螺旋排列，分别包覆有碳纳米管层的多个支撑芯相互缠绕形成一个整体，所述支撑芯为蚕丝或者蜘蛛丝。
13.一种碳纳米管复合线的制备方法，包括以下步骤：
提供至少一个碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个首尾相连定向排列的碳纳米管；
提供一支撑芯，所述支撑芯为蚕丝或者蜘蛛丝；
将所述至少一个碳纳米管结构沿所述支撑芯延伸的方向连续环绕设置，使得所述至少一个碳纳米管结构包覆于所述支撑芯外表面。
14.如权利要求13所述的复合线的制备方法，其特征在于，所述提供至少一碳纳米管结构的步骤包括以下步骤：
提供一超顺排碳纳米管阵列；
采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列中连续拉取获得一碳纳米管结构。
15.如权利要求13所述的复合线的制备方法，其特征在于，所述将至少一碳纳米管结构沿所述支撑芯延伸的方向连续环绕设置，使得所述至少一个碳纳米管结构包覆于所述支撑芯外表面的步骤包括以下步骤：
将所述至少一个碳纳米管结构一端连接于所述支撑芯外表面，另一端位于支撑芯的一侧并间隔一定间距；
将支撑芯绕中心线旋转，同时远离所述至少一碳纳米管结构另一端方向移动。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010259961.6A CN102372252B (zh) | 2010-08-23 | 2010-08-23 | 碳纳米管复合线及其制备方法 |
| US12/978,548 US20120045643A1 (en) | 2010-08-23 | 2010-12-25 | Carbon nanotube wire structure and method for making the same |
| US14/836,971 US20150368106A1 (en) | 2010-08-23 | 2015-08-27 | Method for making carbon nanotube wire structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010259961.6A CN102372252B (zh) | 2010-08-23 | 2010-08-23 | 碳纳米管复合线及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102372252A CN102372252A (zh) | 2012-03-14 |
| CN102372252B true CN102372252B (zh) | 2016-06-15 |
Family
ID=45594310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201010259961.6A Active CN102372252B (zh) | 2010-08-23 | 2010-08-23 | 碳纳米管复合线及其制备方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US20120045643A1 (zh) |
| CN (1) | CN102372252B (zh) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1814713A4 (en) | 2004-11-09 | 2017-07-26 | Board of Regents, The University of Texas System | The fabrication and application of nanofiber ribbons and sheets and twisted and non-twisted nanofiber yarns |
| EP1926846A4 (en) | 2005-07-28 | 2010-12-15 | Nanocomp Technologies Inc | SYSTEMS AND METHOD FOR FORMING AND OBTAINING NANO FIBER MATERIALS |
| JP5864253B2 (ja) | 2008-05-07 | 2016-02-17 | ナノコンプ テクノロジーズ インコーポレイテッド | ナノ構造複合材シートの形成方法 |
| EP2637868A4 (en) * | 2010-11-12 | 2015-04-22 | Nanocomp Technologies Inc | SYSTEMS AND METHODS FOR THERMAL MANAGEMENT OF ELECTRONIC COMPONENTS |
| US8722171B2 (en) | 2011-01-04 | 2014-05-13 | Nanocomp Technologies, Inc. | Nanotube-based insulators |
| JP6228605B2 (ja) | 2012-08-01 | 2017-11-08 | ザ ボード オブ リージェンツ，ザ ユニバーシティ オブ テキサス システム | コイル状および非コイル状ナノファイバー撚糸およびポリマーファイバーのねじりおよび引張アクチュエータ |
| CN103400702B (zh) * | 2013-07-04 | 2015-11-18 | 宁国市龙晟柔性储能材料科技有限公司 | 一种弹性的同轴线状超级电容器及其制备方法 |
| CN103390467A (zh) * | 2013-07-04 | 2013-11-13 | 复旦大学 | 一种弹性导电纤维的制备方法 |
| CN103390508A (zh) * | 2013-07-04 | 2013-11-13 | 复旦大学 | 一种弹性线状染料敏化太阳能电池及其制备方法 |
| CN104021837B (zh) * | 2014-05-31 | 2017-12-26 | 西安交通大学 | 一种非金属轻型导电线及其方法和应用产品 |
| EP3263753A4 (en) * | 2015-02-27 | 2018-11-21 | Hitachi Zosen Corporation | Method for manufacturing carbon nanotube fiber, device for manufacturing carbon nanotube fiber, and carbon nanotube fiber |
| JP6462418B2 (ja) * | 2015-02-27 | 2019-01-30 | 日立造船株式会社 | カーボンナノチューブ繊維の製造方法、カーボンナノチューブ繊維の製造装置およびカーボンナノチューブ繊維 |
| JP6462417B2 (ja) * | 2015-02-27 | 2019-01-30 | 日立造船株式会社 | カーボンナノチューブ複合繊維の製造方法、カーボンナノチューブ複合繊維の製造装置およびカーボンナノチューブ複合繊維 |
| US10030637B2 (en) * | 2015-12-18 | 2018-07-24 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Actuator |
| EP3409471B1 (en) * | 2016-01-29 | 2022-03-02 | Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences | Use of carbon nanotube aggregate in preparing nanocarbon impact resistant material and method for preparing nanocarbon impact resistant material |
| CN106024656A (zh) * | 2016-06-15 | 2016-10-12 | 苏州捷迪纳米科技有限公司 | 弹性导线及其制备方法 |
| US10581082B2 (en) | 2016-11-15 | 2020-03-03 | Nanocomp Technologies, Inc. | Systems and methods for making structures defined by CNT pulp networks |
| CN106894316B (zh) * | 2017-02-28 | 2019-01-25 | 武汉理工大学 | 一种基于光纤光栅传感器检测沥青路面结构破坏的方法 |
| CN108625005B (zh) * | 2017-03-16 | 2021-03-16 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 碳纳米管纤维复合包芯纱及其制备方法与应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1959911A (zh) * | 2005-11-04 | 2007-05-09 | 清华大学 | 一种场发射元件及其制备方法 |
| CN101086939A (zh) * | 2006-06-09 | 2007-12-12 | 清华大学 | 场发射元件及其制备方法 |
Family Cites Families (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6040050A (en) * | 1997-06-18 | 2000-03-21 | Toyo Boseki Kabushiki Kaisha | Polybenzazole fiber having high tensile modulus and process of manufacture thereof |
| US6412261B1 (en) * | 2001-03-21 | 2002-07-02 | The Forman School | Method of reinforcing a fiber with spider silk |
| US7057023B2 (en) * | 2002-01-11 | 2006-06-06 | Nexia Biotechnologies Inc. | Methods and apparatus for spinning spider silk protein |
| US20070082197A1 (en) * | 2003-11-04 | 2007-04-12 | Ko Frank K | Electrospun carbon nanotube reinforced silk fibers |
| US7291003B1 (en) * | 2004-09-23 | 2007-11-06 | Sandia Corporation | Micromachined spinneret |
| US20100297441A1 (en) * | 2004-10-18 | 2010-11-25 | The Regents Of The University Of California | Preparation of fibers from a supported array of nanotubes |
| US20060093642A1 (en) * | 2004-11-03 | 2006-05-04 | Ranade Shrirang V | Method of incorporating carbon nanotubes in a medical appliance, a carbon nanotube medical appliance, and a medical appliance coated using carbon nanotube technology |
| US20060125144A1 (en) * | 2004-12-14 | 2006-06-15 | Jan Weber | Stent and stent manufacturing methods |
| US20090099441A1 (en) * | 2005-09-08 | 2009-04-16 | Drexel University | Braided electrodes |
| CN100500556C (zh) * | 2005-12-16 | 2009-06-17 | 清华大学 | 碳纳米管丝及其制作方法 |
| DE102006038445A1 (de) * | 2006-08-16 | 2008-02-21 | Gustav Pirazzi & Comp. Kg | Verwendung von künstlich hergestellter Spinnenseide |
| CN1936137A (zh) * | 2006-08-18 | 2007-03-28 | 上海兰度科技有限公司 | 纳米纤维包覆的线性复合材料及其制备方法 |
| US7709732B2 (en) * | 2006-12-12 | 2010-05-04 | Motorola, Inc. | Carbon nanotubes litz wire for low loss inductors and resonators |
| US8158217B2 (en) * | 2007-01-03 | 2012-04-17 | Applied Nanostructured Solutions, Llc | CNT-infused fiber and method therefor |
| EP1944406A1 (en) * | 2007-01-10 | 2008-07-16 | Nederlandse Organisatie voor Toegepast-Natuuurwetenschappelijk Onderzoek TNO | Method and apparatus for treating an elongated object with plasma |
| WO2008095239A1 (en) * | 2007-02-05 | 2008-08-14 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Nanofibre yarns |
| CN101286385B (zh) * | 2007-04-11 | 2010-05-26 | 清华大学 | 电磁屏蔽线缆 |
| CA2731645C (en) * | 2007-07-24 | 2017-05-23 | The University Of British Columbia | Substituted aryl-fluoroborates as imaging agents |
| CN101409962B (zh) * | 2007-10-10 | 2010-11-10 | 清华大学 | 面热光源及其制备方法 |
| CN101597049B (zh) * | 2008-06-04 | 2011-11-09 | 清华大学 | 碳纳米管薄膜的制备方法 |
| US8325079B2 (en) * | 2009-04-24 | 2012-12-04 | Applied Nanostructured Solutions, Llc | CNT-based signature control material |
| CN102372266B (zh) * | 2010-08-23 | 2013-11-06 | 清华大学 | 碳纳米管复合结构及其制备方法 |
-
2010
- 2010-08-23 CN CN201010259961.6A patent/CN102372252B/zh active Active
- 2010-12-25 US US12/978,548 patent/US20120045643A1/en not_active Abandoned
-
2015
- 2015-08-27 US US14/836,971 patent/US20150368106A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1959911A (zh) * | 2005-11-04 | 2007-05-09 | 清华大学 | 一种场发射元件及其制备方法 |
| CN101086939A (zh) * | 2006-06-09 | 2007-12-12 | 清华大学 | 场发射元件及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20150368106A1 (en) | 2015-12-24 |
| CN102372252A (zh) | 2012-03-14 |
| US20120045643A1 (en) | 2012-02-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102372252B (zh) | 碳纳米管复合线及其制备方法 | |
| CN101499328B (zh) | 绞线 | |
| CN102001641B (zh) | 碳纳米管线状结构的制备方法 | |
| JP5091278B2 (ja) | カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法 | |
| CN101964229B (zh) | 碳纳米管绞线及其制备方法 | |
| US9340904B2 (en) | Fabrication method of composite carbon nanotube fibers/yarns | |
| JP4486060B2 (ja) | カーボンナノチューブ筋の製造方法 | |
| TWI312337B (en) | Method for making the carbon nanotubes silk | |
| CN101499338A (zh) | 绞线的制备方法 | |
| US9242443B2 (en) | Method for making carbon nanotube composite hollow structure | |
| CN109537110B (zh) | 一种碳纳米管纤维的制备方法 | |
| JP2017002456A (ja) | ナノファイバーのリボンおよびシートならびにナノファイバーの撚り糸および無撚り糸の製造および適用 | |
| US20120045644A1 (en) | Carbon nanotube wire composite structure and method for making the same | |
| US20160032499A1 (en) | Methods of making nanofiber yarns and threads | |
| TWI380949B (zh) | 奈米碳管長線結構 | |
| JP2010260784A (ja) | ナノ材料薄膜 | |
| US9523162B2 (en) | Method for making marco-scale carbon nanotube tube structure | |
| CN105439114A (zh) | 碳纤维膜及其制备方法 | |
| TW200939249A (en) | Method for making twisted yarn | |
| TWI438315B (zh) | 奈米碳管複合線及其製備方法 | |
| Sun et al. | Characteristics and applications of carbon nanotubes with different numbers of walls | |
| CN105825909B (zh) | 碳纳米管纤维弹性导线及其制备方法 | |
| CN105329841B (zh) | 碳纳米管膜的制备方法 | |
| US20150360950A1 (en) | Method for making carbon nanotube film | |
| Dai et al. | Preparation of CNTs rope by electrostatic and airflow field carding with high speed rotor spinning |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |