CN105350130A - 水驱动的多级管道碳纳米管纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于智能材料技术领域，具体为一种水驱动的多级管道碳纳米管纤维及其制备方法。本发明以取向的碳纳米管纤维作为基本单元，采用氧等离子体处理使其表面从疏水变为亲水，通过多根缠绕加捻的方法，制备得到具可水驱动的具有多级管道碳纳米管纤维。所制备的纤维不需要引入亲水高分子即可对水发生快速收缩和旋转响应。该纤维同时具有纤维之间的微米级管道以及纤维内部碳纳米管之间的纳米级管道。该纤维在接触水之后由于水渗透进入微米级和纳米级的管道中，使得纤维膨胀从而在径向上产生收缩以及轴向上产生旋转。其变形能力由于微米级管道的引入而提高。该纤维发生的驱动可逆，待水挥发后，纤维回复到初始状态，并且该过程可重复上百次而且没有明显的衰减和疲劳。

Description

水驱动的多级管道碳纳米管纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种水驱动的多级管道碳纳米管纤维及其制备方法。
背景技术
水作为一种非常重要的环境刺激物，可以诱发不同生命系统从而保证大自然生命的可持续发展，尤其是植物体中的运动和运输。例如树叶向上生长是因为内部水分蒸发而产生的收缩，松果开裂是缘于水分的吸收后的膨胀，麦芒钻入土壤中是由于湿度变化导致的运动。这些行为都是基于植物体内具有微米级并且可进行水分运输的纤维束对于水分吸收和蒸发而产生的膨胀和收缩。而且在这些生物材料中，多级组装结构对于实现这些功能是至关重要的。例如，丝瓜卷须在与水接触后发生拉伸是在由于卷须上的多级螺旋结构所致，该结构从微观到宏观分别由分子、微纤维、纤维束、细胞、卷须细丝以及宏观的具有螺旋结构的卷丝上排列而成。
受到大自然的启发，一系列的材料，包括高分子、形状记忆合金，金属氧化物和陶瓷，都已经被设计成为多级结构用于驱动装置。这些层状材料可以将外部刺激，如：电、温度、磁和溶剂，转换为内部的机械能。然而，它们一般都会制备成膜状材料从而朝着特定的取向弯曲，或者制备成块体材料从而进行简单的膨胀和收缩。这些材料都比较难以实现自然界一些可控且复杂形变。
碳纳米管是近几年发展迅速的一种驱动材料，由于其独特的结构以及优异的力学、电学和热学性能从而获得广泛应用。特别是取向的碳纳米管纤维能够将单根碳纳米管的优异性能在宏观上得到广泛应用。目前为止，碳纳米管纤维的驱动器件基于热、电化学和电磁原理下均表现出了很好的驱动性能。但是，目前为止，由于碳纳米管本身的疏水性能，这种具有优异性能的碳纳米管纤维对于水以及水蒸气的驱动还没有报道，限制了其应用。因此，我们亟需发明一种基于碳纳米管的材料，在实现复杂及变形可控的同时，能对水刺激进行响应并具有较高的驱动性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种力学性能和电学性能良好的水驱动的多级管道碳纳米管纤维及其制备方法。
本发明提供的水驱动的多级管道碳纳米管纤维及其制备方法，以碳纳米管纤维作为基本构型，通过氧等离子体处理，使得碳纳米管表面亲水，进而将多根亲水的碳纳米管纤维加捻，制备得到水驱动的多级管道碳纳米管纤维。
本发明从化学气相沉积方法合成的碳纳米管阵列中直接纺出碳纳米管纤维，用等离子体处理，再将多根处理后的碳纳米管纤维进行加捻，形成具有亲水性的多级管道碳纳米管纤维；该纤维在接触水之后由于水渗透进入亲水性的微米级和纳米级的管道中，使得纤维膨胀从而在径向上产生收缩以及轴向上产生旋转；该纤维发生的可逆响应，可以重复上百次而没有明显的衰减和疲劳；且其变形能力可随氧等离子体处理的条件不同而发生相应改变。另外，碳纳米管的引入大幅增强了材料的力学和热学性能，同时也赋予材料优异的电学性能。
本发明所述水驱动的多级管道碳纳米管纤维制备方法，具体步骤如下：
（1）通过化学气相沉积方法合成碳纳米管阵列；
（2）干法纺丝获得一级管道碳纳米管纤维；
（3）用氧等离子体处理碳纳米管纤维；
（4）将若干根处理后的碳纳米管纤维并排，进行加捻缠绕。
步骤（3）中，所述用氧等离子体处理碳纳米管纤维，其中，氧气流量为50-1000毫升/分钟（优选氧气流量50-300毫升/分钟），功率为100瓦-900瓦（优选功率100-300瓦），处理的时间为1秒-90分钟（优选处理的时间1-15分钟）。
步骤（4）中，所述处理后的碳纳米管纤维的根数从2根-100根；加捻缠绕形成的螺旋角从8度-43度。得到的水驱动的多级管道碳纳米管纤维同时具有纤维和纤维之间的亲水性的微米级管道以及纤维内部碳纳米管之间的亲水性的纳米级管道。其中亲水性的纳米级管道宽度为20-200纳米，亲水性的微米级管道宽度为1-10微米。
根据上述制备方法制备的水驱动的多级管道碳纳米管纤维，在接触水之后在径向上产生收缩以及轴向上产生旋转；该纤维发生的可逆响应，可以重复上百次而没有明显的衰减和疲劳；该纤维的收缩和旋转性能随氧等离子体处理的条件不同而发生相应改变。
本发明的优点在于：
得到的水驱动的多级管道碳纳米管纤维由于表面经过氧官能团化处理在不需要引入亲水高分子即可对水发生收缩和旋转响应。该多级管道的碳纳米管纤维通过结构设计同时具有亲水性的微米级和纳米级管道，该纤维在接触水之后由于水渗透进入亲水性的微米级和纳米级的管道中，可实现快速收缩和旋转响应。多级管道碳纳米管纤维对水产生的收缩应力可达24MP以上，大大高于自然肌肉，可以作为人工肌肉使用。同时对水产生的扭矩可达0.4N·m/kg，接近商业电机。
附图说明
图1，制备水驱动的多级管道碳纳米管纤维的示意图。
图2，水驱动的多级管道碳纳米管纤维的收缩和旋转示意图。
图3，本发明水驱动的多级管道碳纳米管纤维的收缩和旋转性能表征。其中，（a）该纤维在接触和移除水滴的典型收缩应力曲线和相对应的收缩速率曲线；（b）该纤维在湿度变化过程中典型收缩应力曲线；（c）该纤维在接触水并保持2000s的收缩应力曲线；（d）；该纤维在接触和移除水循环150次的收缩应力曲线（e）；该纤维在接触水后的单位长度的旋转圈数和转速与时间关系曲线；（f）该纤维的旋转圈数和循环次数关系曲线。
图4，本发明水驱动的多级管道碳纳米管纤维和一级管道碳纳米管的收缩和旋转性能对比。其中，（a-d）分别为由10根一级管道碳纳米管纤维加捻得到的多级管道碳纳米管纤维和10层碳纳米管薄膜加捻得到的一级管道碳纳米管纤维的收缩应力，收缩速率，旋转圈数和转速的对比图。
图5，本发明水驱动的多级管道碳纳米管纤维在窗户方面的应用照片。在滴加水滴时窗户很快打开，移除水滴后窗户很快关闭。
具体实施方式
实施例1
（1）碳纳米管阵列的合成
采用化学气相沉积法（CVD）生长高度取向的碳纳米管阵列，催化剂为Fe（1.2nm）/Al2O3(3nm)/Si，Al2O3和Fe是利用电子束蒸发仪依次沉积在硅片上，其中Al2O3层作为缓冲层，Fe作为催化剂。乙烯（90cm3/min）作为碳源，氢气（30cm3/min）和氩气（400cm3/min）作为载气，在管式炉中740℃下生长十分钟。
（2）一级管道碳纳米管纤维的制备
将得到的碳纳米管阵列拉出的碳纳米管薄膜以2000rpm的速度加捻，可得到一级碳纳米管纤维。如图1，得到的一级管道碳纳米管纤维具有纳米级管道（从20到200纳米），并且具有28o的螺旋角。插入照片为对水滴的接触角照片。从图中可以看出，接触角为138度，该碳纳米管纤维表现出很强的疏水性能。
（3）等离子体处理的碳纳米管纤维的制备
将碳纳米管纤维放入微波等离子体中，通入300sccm的氧气，在100W的功率下处理15分钟得到等离子体处理的碳纳米管纤维。从等离子体处理的碳纳米管纤维的扫描照片以及对水滴的接触角照片，可以看出，得到的等离子体处理的碳纳米管纤维的表面基本没有发生变化。插入照片为对水滴的接触角照片。从图中可以看出，接触角很小，该碳纳米管纤维表现出很强大的亲水性能。
（4）具有水驱动的多级管道的碳纳米管纤维的制备
将十根等离子体处理的碳纳米管纤维并排，将并排后的纤维的一端固定在电机上，另一端固定在可移动的物体上。电机以100rpm的速度旋转加捻纤维得到多级管道的碳纳米管纤维。从得到的具有水驱动的多级管道的碳纳米管纤维的扫描照片，可以看出，得到的纤维除了具有纳米级管道以外，还具有螺旋的微米级管道（从1到10微米），该微米级管道的螺旋角为28o。
水驱动的多级管道的碳纳米管纤维具有优异的收缩性能。图3（a）是得到的水驱动的多级管道的碳纳米管纤维在接触和移除水滴的典型收缩应力曲线和相对应的收缩速率曲线。收缩应力很快达到13.5MPa，收缩速率达21.7MPa/s。该纤维对水蒸气也有优异的收缩性能。如图3（b）所示，在湿度为80%下，收缩应力可达24.0MPa，均远高于人类肌肉（最强约0.35MPa）。该纤维在接触水滴后可将收缩力保持较长时间，如图3（c）所示，在接触水滴并持续接触2000s，收缩应力可以很好的保持在13.5MPa附近。并且该纤维可逆收缩响应，可以重复上百次而没有明显的衰减和疲劳，如图3（d）。
水驱动的多级管道的碳纳米管纤维具有优异的收缩性能。图3（e）是得到的水驱动的多级管道的碳纳米管纤维在接触和移除水滴的典型旋转圈数曲线和相对应的转速曲线。可以看出该纤维可以在0.6s达到1700转每米以及750rpm的转速。并且得到的纤维具有优异的旋转循环可逆性，可以重复上百次圈数没有明显的衰减和疲劳，如图3（f）。
水驱动的多级管道的碳纳米管纤维具有优异的收缩性能和旋转性能与具有纳米级和微米级的管道有关。如图4所示，与十层碳纳米管薄膜加捻并且经过等离子体处理的一级管道碳纳米管纤维进行性能对比。该一级碳纳米管纤维的直径与多级碳纳米管纤维相同，也可在接触水后具有收缩性能和旋转性能，但仅存在纳米级管道。可以看出，多级管道的碳纳米管纤维对水的收缩性能和旋转性能均明显高于以及管道的碳纳米管纤维。
由于这些优异的性能，水驱动的多级管道的碳纳米管纤维可以作为高性能驱动材料广泛应用在驱动器件和微型机器人等领域。图4为其作为打开窗户的一个应用展示。
实施例2
（1）碳纳米管阵列的合成
采用化学气相沉积法（CVD）生长高度取向的碳纳米管阵列，催化剂为Fe（1.2nm）/Al2O3(3nm)/Si，Al2O3和Fe是利用电子束蒸发仪依次沉积在硅片上，其中Al2O3层作为缓冲层，Fe作为催化剂。乙烯（90cm3/min）作为碳源，氢气（30cm3/min）和氩气（400cm3/min）作为载气，在管式炉中740℃下生长十分钟。
（2）一级管道碳纳米管纤维的制备
将得到的碳纳米管阵列拉出的碳纳米管薄膜以3000rpm的速度加捻，可得到一级碳纳米管纤维。得到的一级管道碳纳米管纤维具有纳米级管道（从10到100纳米），并且具有43o的螺旋角。该碳纳米管纤维表现出很强的疏水性能。
（3）等离子体处理的碳纳米管纤维的制备
将碳纳米管纤维放入微波等离子体中，通入100sccm的氧气，在900W的功率下处理1秒得到等离子体处理的碳纳米管纤维。得到的等离子体处理的碳纳米管纤维的表面基本没有发生变化，该碳纳米管纤维表现出很强大的亲水性能。
（4）具有水驱动的多级管道的碳纳米管纤维的制备
将一百根等离子体处理的碳纳米管纤维并排，将并排后的纤维的一端固定在电机上，另一端固定在可移动的物体上。电机以300rpm的速度旋转加捻纤维得到多级管道的碳纳米管纤维。得到的纤维除了具有纳米级管道以外，还具有螺旋的微米级管道（从1到5微米），该微米级管道的螺旋角为43o。

Claims (7)

1.一种水驱动的多级管道碳纳米管纤维及其制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）通过化学气相沉积方法合成碳纳米管阵列；
（2）干法纺丝获得一级管道碳纳米管纤维；
（3）用氧等离子体处理碳纳米管纤维；
（4）将若干根处理后的碳纳米管纤维并排，进行加捻缠绕。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述氧等离子体处理的氧气流量为50-1000毫升/分钟，功率为100瓦-900瓦，时间为1秒-90分钟。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述处理后的碳纳米管纤维的根数从2根到100根。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述加捻缠绕后的碳纳米管纤维的螺旋角为8度-43度。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述加捻后的碳纳米管纤维的同时具有纤维和纤维之间的亲水性的微米级管道以及纤维内部碳纳米管之间的亲水性的纳米级管道。
6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述亲水性的微米级管道宽度为1-10微米，亲水性的纳米级管道宽度为20-200纳米。
7.一种由权利要求1-6所述制备方法制备得到的水驱动的多级管道碳纳米管纤维。
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