CN105734871A - 纤维处理系统和处理碳纳米管纤维的方法 - Google Patents

纤维处理系统和处理碳纳米管纤维的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种纤维处理系统，其中，所述系统包括纤维牵引组件、第一溶液池和第一超声震荡装置，所述第一超声震荡装置的震荡件位于所述第一溶液池内，所述纤维牵引组件能够牵引所述纤维经过所述第一溶液池的内部。本发明还提供一种纤维处理方法。利用所述纤维处理系统对碳纳米管纤维进行处理的方法。利用本发明所提供的装置对碳纳米管纤维进行处理不会产生废气，更加环保，并且，剩余的废液可以回收再利用。并且，利用所述纤维处理系统效率高，可以连续作业，适于批量生产。

Description

纤维处理系统和处理碳纳米管纤维的方法
技术领域
本发明涉及纤维预处理领域，具体地，涉及一纤维处理系统和一种利用该纤维处理系统对碳纳米管纤维进行处理的方法。
背景技术
碳纳米管纤维作为一种独特的一维结构纳米碳材，自其在1991年被发现以来，就一直是先进材料研究的热点。为了使得所述碳纳米管纤维适用于不同的应用场合，有时需要制备获得了碳纳米管纤维之后对所述碳纳米管纤维进行二次加工。
例如，为了提高碳纳米管纤维的导电性，可以利用卤素对碳纳米管纤维进行处理。现有技术中，常用的处理方法包括蒸汽法。具体地，可以将碳纳米管纤维置入卤素蒸汽中，让卤素原子缓慢进入纤维内部。但是，这种方法效率比较低，并且，只能用于对较短的碳纳米管纤维进行处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维处理系统和一种利用该纤维处理系统对碳纳米管纤维进行处理的处理方法。利用所述纤维处理系统能够持续高效地对较长的碳纳米管纤维进行处理。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种纤维处理系统，其中，所述系统包括纤维牵引组件、第一溶液池和第一超声震荡装置，所述第一超声震荡装置的震荡件位于所述第一溶液池内，所述纤维牵引组件能够牵引所述纤维经过所述第一溶液池的内部。
优选地，所述纤维牵引组件包括放丝辊、至少一个第一压辊和收丝辊，所述放丝辊和所述收丝辊分别位于所述第一溶液池的外部的两侧，至少一个所述第一压辊设置在所述第一溶液池内，且位于所述放丝辊和所述收丝辊之间。
优选地，所述纤维牵引组件包括多个所述第一压辊，多个所述第一压辊的排列方向与所述放丝辊和所述收丝辊的排列方向平行。
优选地，所述纤维处理系统还包括第二溶液池，所述第二溶液池位于所述第一溶液池和所述收丝辊之间，且待处理的纤维能够分别经过所述第一溶液池的内部和所述第二溶液池的内部。
优选地，所述纤维处理系统还包括至少一个第一导辊和至少一个第二压辊，所述第一导辊位于所述第一溶液池和所述第二溶液池之间，所述第二压辊设置在所述第二溶液池内。
优选地，所述纤维处理系统包括多个所述第一导辊和多个所述第二压辊，多个所述第一导辊的排列方向平行于所述放丝辊和所述收丝辊的排列方向，多个所述第二压辊的排列方向平行于所述放丝辊和所述收丝辊的排列方向。
优选地，所述纤维处理系统还包括第二超声震荡装置，所述第二超声震荡装置的震荡件位于所述第二溶液池内。
优选地，所述纤维处理系统还包括烘干装置，所述烘干装置用于烘干处理后的纤维，所述烘干装置设置在所述第二溶液池和所述收丝辊之间。
优选地，所述烘干装置包括第二导辊和加热件，所述第二导辊位于所述第二溶液池的外部，且所述加热件位于所述第二导辊和所述收丝辊之间。
作为本发明的另一个方面，提供一种利用上述纤维处理系统对碳纳米管纤维进行处理的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
从缠绕有碳纳米管纤维的所述放丝辊上拾取碳纳米管纤维的自由端，并使得该自由端经过所述第一溶液池的内部后固定在所述收丝辊上，所述碳纳米管纤维的一部分位于所述第一溶液池内；
向所述第一溶液池内注入卤素溶液，并且所述碳纳米管纤维的一部分浸入所述卤素溶液中，所述第一超声震荡装置的震荡件浸入所述卤素溶液中；
控制所述第一超声震荡装置开始震荡；
驱动所述放丝辊和所述收丝辊同步转动。
优选地，设置所述放丝辊和所述收丝辊的转动速度，以使得所述碳纳米管纤维的行进速度为1mm/min至100mm/min之间。
优选地，所述放丝辊和所述收丝辊周期性地转动，相邻两个转动周期之间间隔预定时间段。
优选地，所述放丝辊和所述收丝辊的两个转动周期之间间隔的时间为10min至40min。
优选地，当所述纤维处理系统包括所述第二溶液池时，在驱动所述放丝辊和所述收丝辊同步转动之前，向所述第二溶液池内注入清洗溶液。
优选地，所述清洗溶液包括无水乙醇。
优选地，当所述纤维处理系统包括烘干装置时，烘干温度为80℃至100℃。
优选地，所述卤素溶液包括碘溶液或溴溶液。
优选地，所述第一超声震荡装置的震荡件浸入所述卤素溶液中，且所述第一超声震荡器的功率为500W至800W；和/或
当所述纤维处理系统包括所述第二超声震荡装置时，所述第二超声震荡装置的震荡件浸入所述清洗溶液中，且所述第二超声震荡器的功率为100W至200W。
在对碳纳米管纤维进行处理时，需要向第一溶液池内注入卤素溶液，在第一超声震荡装置的震荡作用下，卤素原子的运动速度增加。由于碳纳米管纤维能够经过第一溶液池内部，卤素原子加速运动，能够较多地渗透进入碳纳米管纤维内。并且，利用本发明所提供的装置对碳纳米管纤维进行处理不会产生废气，更加环保，并且，剩余的废液可以回收再利用。并且，利用所述纤维处理系统效率高，可以连续作业，适于批量生产。
附图说明
图1是本发明所提供的纤维处理系统的示意图。
附图标记说明
1：放丝辊2：碳纳米管纤维
3：第一压辊4：卤素溶液
5：第一超声震荡装置6：第一溶液池
7：第一压辊8、9：第一导辊
10：第二溶液槽11、13：第二压辊
12：第二超声震荡装置14：无水乙醇
15：第二导辊16：加热件
17：收丝辊
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，作为本发明的一个方面，提供一种纤维处理系统，其中，所述系统包括纤维牵引组件、和第一超声震荡装置5，该第一超声震荡装置5的震荡件位于第一溶液池6内，所述纤维牵引组件能够牵引所述纤维经过第一溶液池6的内部。
本发明所提供的纤维处理系统可以用于对碳纳米管纤维2进行处理，此处所述的处理是指，对碳纳米管纤维2进行卤素渗透，以提高碳纳米管纤维的导电性能。
在对碳纳米管纤维2进行处理时，需要向第一溶液池6内注入卤素溶液，在第一超声震荡装置的震荡作用下，卤素原子的运动速度增加。由于碳纳米管纤维2能够经过第一溶液池6内部，卤素原子加速运动，能够较多地渗透进入碳纳米管纤维2内。并且，利用本发明所提供的装置对碳纳米管纤维进行处理不会产生废气，更加环保，并且，剩余的废液可以回收再利用。并且，利用所述纤维处理系统效率高，可以连续作业，适于批量生产。
在本发明中，对纤维牵引组件的具体结构并没有特殊的限制，只要能够牵引纤维经过第一溶液池6内部即可。作为本发明的一种优选实施方式，为了便于持续作业、提高作业效率，所述纤维牵引组件包括放丝辊1、至少一个第一压辊和收丝辊17，所述放丝辊和所述收丝辊分别位于所述第一溶液池的外部的两侧，至少一个所述第一压辊设置在第一溶液池6内，且位于放丝辊1和收丝辊17之间。
在未对纤维进行处理之前，所有的纤维均缠绕在放丝辊1上。需要对纤维进行处理时，将纤维的自由端绕过所述第一压辊，并缠绕在收丝辊17上。收丝辊17为主动辊，收丝辊17转动，可以带动纤维从放丝辊1上移动经过第一溶液池6。利用所述纤维牵引组件能够连续地对纤维进行处理，从而可以容易地实现量产。
如上文中所述，所述纤维牵引组件可以包括至少一个所述第一压辊，为了将尽量多的纤维浸入至第一溶液池6内的溶液中，优选地，所述纤维牵引组件包括多个所述第一压辊，多个所述第一压辊的排列方向与所述放丝辊和所述收丝辊的排列方向平行。
在图1所示的实施方式中，所述纤维牵引组件包括第一压辊3和第一压辊7，第一压辊3位于第一溶液池6的一端，第一压辊7位于第一溶液池6的另一端。
优选地，所述纤维处理系统还包括第二溶液池10，该第二溶液池10位于第一溶液池6和收丝辊17之间，且待处理的纤维能够分别经过第一溶液池6的内部和第二溶液池17的内部。
第二溶液池17用于容纳清洗溶液，用于清洗经过第一溶液池6内溶液处理的纤维表面的多余溶液。当第一溶液池6内盛放的是卤素溶液时，可以利用第二溶液池盛放无水乙醇。
为了便于稳定地传输纤维、纺织纤维因受力不均而断开，优选地，所述纤维处理系统还包括至少一个第一导辊和至少一个第二压辊，所述第一导辊位于第一溶液池6和第二溶液池10之间，所述第二压辊设置在所述第二溶液池内。
所述第一导辊用于支撑纤维位于第一溶液池6和第二溶液池10之间的部分，第二压辊用于将纤维限制在第二溶液池10内，从而可以维持纤维的稳定，并确保能够纤维能够浸泡在第二溶液池10中的溶液内。
本发明中对所述第一导辊的数量以及所述第二压辊的数量并没有特殊的限制，作为本发明的一种优选实施方式，所述纤维处理系统包括多个所述第一导辊和多个所述第二压辊，多个所述第一导辊的排列方向平行于所述放丝辊和所述收丝辊的排列方向，多个所述第二压辊的排列方向平行于所述放丝辊和所述收丝辊的排列方向。
作为本发明的一种优选实施方式，如图1所示，所述牵引组件包括两个第一导辊(包括第一导辊8和第一导辊9)和两个第二压辊(包括第二压辊11和第二压辊13)。第一导辊8靠近第一溶液池6，第一导辊9靠近第二溶液池10，第二压辊11位于第二溶液池10的一端，第二压辊13位于第二溶液池10的另一端。
纤维从第一溶液池6中出来之后，经过第一导辊8和第一导辊9的上方，然后进入第二溶液池10内，并贴着第二压辊11的表面从该第二压辊11与第二溶液池10的底壁之间的间隔穿过，随后纤维贴着第二压辊13的表面从该第二压辊13与第二溶液池10的底壁之间的间隔穿过，并离开第二溶液池10。
为了便于将处理后的纤维表面的溶液清洗干净，优选地，如图1所示，所述纤维处理系统还包括第二超声震荡装置12，该第二超声震荡装置的震荡件位于所述第二溶液池内。第二超声震荡装置12的震荡件震荡时，能够加快第二溶液分子的运动，从而更好地清洗纤维上的多余溶液。
为了便于对处理后的纤维进行包装运输，优选地，所述纤维处理系统还包括烘干装置，所述烘干装置用于烘干处理后的纤维，所述烘干装置设置在第二溶液池10和收丝辊17之间。利用所述烘干装置对经过清洗的纤维进行烘干，从而可以使得纤维表面的第二溶液蒸发。经过烘干后的纤维表面干燥，便于包装、保存和运输。
作为本发明的一种优选实施方式，如图1所示，所述烘干装置包括至少一个第二导辊15和加热件16，第二导辊15位于第二溶液池10的外部，且加热件16位于第二导辊15和收丝辊17之间，所述纤维能够经过设置有加热件16的区域，并到达收丝辊17。
需要指出的是，加热件16可以是电阻丝。
作为本发明的另一个方面，提供一种利用本发明所提供的上述纤维处理系统对碳纳米管纤维进行处理的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
S100、从缠绕有碳纳米管纤维的放丝辊1上拾取碳纳米管纤维的自由端，并使得该自由端经过第一溶液池6的内部后固定在收丝辊17上，所述碳纳米管纤维的一部分位于所述第一溶液池内；
S200、向第一溶液池6内注入卤素溶液4，并且碳纳米管纤维10的一部分浸入卤素溶液4中，第一超声震荡装置5的震荡件浸入卤素溶液4中；
S300、控制第一超声震荡装置5开始震荡；
S400、驱动放丝辊1和收丝辊17同步转动。
随着收丝辊17和放丝辊1的转动，从放丝辊1上释放出的碳纳米管纤维不断的经过第一溶液池6中的卤素溶液，并缠绕在收丝辊17上。由于第一超声震荡装置5的震荡件浸入卤素溶液4中，因此，第一超声震荡装置5产生的超声波震动使得卤素溶液4的溶液分子运动加快，从而便于卤素溶液的溶质扩散进入碳纳米管纤维内部，从而可以提高碳纳米管纤维的导电性能。
在本发明中，对放丝辊1和收丝辊17的转动速度并没有特殊的限制，设置所述放丝辊和所述收丝辊的转动速度，以使得所述碳纳米管纤维的行进速度为1mm/min至100mm/min之间。
优选地，放丝辊1和收丝辊17周期性地转动，相邻两个转动周期之间间隔预定时间段。在相邻两个转动周期之间，碳纳米管纤维的一部分停留在第一溶液池中，有利于卤素元素更充分地渗透进入碳纳米管纤维内。
在本发明中，对两个转动周期之间的时间间隔并没有特殊的限制，优选地，放丝辊1和收丝辊17的两个转动周之间间隔的时间为10min至40min。
如上文中所述，所述纤维处理系统可以包括第二溶液池时，在驱动所述放丝辊和所述收丝辊同步转动之前，向所述第二溶液池内注入清洗溶液。从而可以将未渗透进入碳纳米管纤维内的卤素清洗干净。
在本发明中，对所述清洗溶液的具体成分并不做特殊的规定，例如，优选地，所述清洗溶液包括无水乙醇。无水乙醇能够很好地溶解卤素单质。
如上文中所述，为了便于对卤素处理的碳纳米管纤维进行包装和存储，所述纤维处理系统还可以包括烘干装置时，在这种实施方式中，所述方法还包括对经过渗透处理的碳纳米管纤维进行烘干处理，烘干温度优选为50℃至100℃。
为了较好地提高碳纳米管纤维的导电性能，优选地，所述卤素溶液可以包括碘溶液或溴溶液。利用碘溶液可以向碳纳米管纤维中渗碘，利用溴溶液可以向碳纳米管纤维中渗溴。
如上文中所述，通过超声震荡可以加快卤素原子的运动速度，从而能够更充分地渗透进入碳纳米管纤维内，在本发明中，优选地，第一超声震荡器的震荡件的功率为500W至800W。
当所述纤维处理系统包括所述第二超声震荡装置时，所述第二超声震荡装置的震荡件浸入所述清洗溶液中，且所述第一超声震荡器的功率为100W至200W。
利用本发明所提供的方法对碳纳米管纤维进行卤素渗透处理时，工艺简单、自动化程度高，适合工业射给你产，并且，在整个过程中没有废气产生，并且，废液可以回手再利用，既可以环保又可以降低成本。
实施例
利用图1中所示的纤维处理系统对碳纳米管纤维进行处理。碳纳米管纤维2缠绕在放丝辊1上，拾取碳纳米管纤维2的自由端后，依次穿过第一压辊3、7之后，绕过第一导辊8、9的上方，随后在穿过第二压辊11、13的下方，绕过第二导辊15的上方，穿过设置有加热件16的区域后固定在收丝辊17上。处理之前，碳纳米管纤维的导电率为2.6×104S/m。
实施例1
实例：向第一溶液池6内注入卤素溶液，该卤素溶液的容积为碘，溶剂为无水乙醇，浓度为5％。向第二溶液池10内注入无水乙醇。
在对碳纳米管纤维2进行渗碘时，开启第一超声震荡装置5和第二超声震荡装置12，第一超声震荡装置5的功率为800W，第二超声震荡装置的功率为100W。碳纳米管纤维2在第一溶液池中渗碘，10min后，关闭第一超声震荡装置，驱动放丝辊1和收丝辊17转动，控制放丝辊1和收丝辊17的转速，使得碳纳米管纤维的行进速度为10mm/min，进入第二溶液池10内，停止转动放丝辊1和收丝辊17，停留1min。随后驱动放丝辊1和收丝辊17转动，使得碳纳米管纤维2穿过加热件16对应的区域，加热件16加热到80℃。
利用热重法对渗碘处理后的碳纳米管纤维进行测试，含碘量为0.57％。利用四探针电阻率测试仪测试导电率为3.02×104S/m，提高了16％。
实施例2
利用实施例1中的方法对碳纳米管纤维进行处理，不同之处在于，碳纳米管纤维在第一溶液池内停留20min，第一超声震荡装置的功率为500W。
热重法分析碘含量0.84％，利用四探针电阻率测试仪测试导电率为3.15×104S/m，提高21％。
实施例3
利用实施例1中的方法对碳纳米管纤维进行处理，不同之处在于，碳纳米管纤维在第一溶液池内停留40min，第一超声震荡装置的功率为600W。
热重法分析碘含量1.13％，利用四探针电阻率测试仪测试导电率为3.224×104S/m，电导率提高24％。
实施例4
利用实施例1中的方法对碳纳米管纤维进行处理，不同之处在于，卤素溶液的溶质为溴，溶剂为无水乙醇，浓度为10％。
碳纳米管纤维在第一溶液池内停留15min，第一超声震荡装置的功率为700W，不设置第二溶液，不需烘干。
热重法分析溴含量0.65％，利用四探针电阻率测试仪测试导电率为2.886×104S/m，电导率提高11％。
实施例5
利用实施例1中的方法对碳纳米管纤维进行处理，不同之处在于，卤素溶液的溶质为溴，溶剂为无水乙醇，浓度为15％，纤维在第一溶液池内停留25min，不设置第二溶液，不需烘干。
热重法分析溴含量0.83％，利用四探针电阻率测试仪测试导电率为3.042×104S/m，电导率提高17％。
实施例6
利用实施例1中的方法对碳纳米管纤维进行处理，不同之处在于，卤素溶液的溶质为溴，溶剂为无水乙醇，浓度为15％，纤维在第一溶液池内停留45min。
热重法分析碘含量1.06％，利用四探针电阻率测试仪测试导电率为3.146×104S/m，电导率提高21％。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种纤维处理系统，其特征在于，所述系统包括纤维牵引组件、第一溶液池和第一超声震荡装置，所述第一超声震荡装置的震荡件位于所述第一溶液池内，所述纤维牵引组件能够牵引所述纤维经过所述第一溶液池的内部。
2.根据权利要求1所述的纤维处理系统，其特征在于，所述纤维牵引组件包括放丝辊、至少一个第一压辊和收丝辊，所述放丝辊和所述收丝辊分别位于所述第一溶液池的外部的两侧，至少一个所述第一压辊设置在所述第一溶液池内，且位于所述放丝辊和所述收丝辊之间。
3.根据权利要求2所述的纤维处理系统，其特征在于，所述纤维牵引组件包括多个所述第一压辊，多个所述第一压辊的排列方向与所述放丝辊和所述收丝辊的排列方向平行。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的纤维处理系统，其特征在于，所述纤维处理系统还包括第二溶液池，所述第二溶液池位于所述第一溶液池和所述收丝辊之间，且待处理的纤维能够分别经过所述第一溶液池的内部和所述第二溶液池的内部。
5.根据权利要求4所述的纤维处理系统，其特征在于，所述纤维处理系统还包括至少一个第一导辊和至少一个第二压辊，所述第一导辊位于所述第一溶液池和所述第二溶液池之间，所述第二压辊设置在所述第二溶液池内。
6.根据权利要求5所述的纤维处理系统，其特征在于，所述纤维处理系统包括多个所述第一导辊和多个所述第二压辊，多个所述第一导辊的排列方向平行于所述放丝辊和所述收丝辊的排列方向，多个所述第二压辊的排列方向平行于所述放丝辊和所述收丝辊的排列方向。
7.根据权利要求4所述的纤维处理系统，其特征在于，所述纤维处理系统还包括第二超声震荡装置，所述第二超声震荡装置的震荡件位于所述第二溶液池内。
8.根据权利要求4所述的纤维处理系统，其特征在于，所述纤维处理系统还包括烘干装置，所述烘干装置用于烘干处理后的纤维，所述烘干装置设置在所述第二溶液池和所述收丝辊之间。
9.根据权利要求8所述的纤维处理系统，其特征在于，所述烘干装置包括第二导辊和加热件，所述第二导辊位于所述第二溶液池的外部，且所述加热件位于所述第二导辊和所述收丝辊之间。
10.一种利用权利要求1至9中任意一项所述的纤维处理系统对碳纳米管纤维进行处理的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
从缠绕有碳纳米管纤维的所述放丝辊上拾取碳纳米管纤维的自由端，并使得该自由端经过所述第一溶液池的内部后固定在所述收丝辊上，所述碳纳米管纤维的一部分位于所述第一溶液池内；
向所述第一溶液池内注入卤素溶液，并且所述碳纳米管纤维的一部分浸入所述卤素溶液中，所述第一超声震荡装置的震荡件浸入所述卤素溶液中；
控制所述第一超声震荡装置开始震荡；
驱动所述放丝辊和所述收丝辊同步转动。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，设置所述放丝辊和所述收丝辊的转动速度，以使得所述碳纳米管纤维的行进速度为1mm/min至100mm/min之间。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述放丝辊和所述收丝辊周期性地转动，相邻两个转动周期之间间隔预定时间段。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述放丝辊和所述收丝辊的两个转动周期之间间隔的时间为10min至40min。
14.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在于，当所述纤维处理系统包括所述第二溶液池时，在驱动所述放丝辊和所述收丝辊同步转动之前，向所述第二溶液池内注入清洗溶液。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述清洗溶液包括无水乙醇。
16.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在于，当所述纤维处理系统包括烘干装置时，烘干温度为80℃至100℃。
17.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在于，所述卤素溶液包括碘溶液或溴溶液。
18.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一超声震荡装置的震荡件浸入所述卤素溶液中，且所述第一超声震荡器的功率为500W至800W；和/或
当所述纤维处理系统包括所述第二超声震荡装置时，所述第二超声震荡装置的震荡件浸入所述清洗溶液中，且所述第二超声震荡器的功率为100W至200W。
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