CN105825909B - 碳纳米管纤维弹性导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种碳纳米管纤维弹性导线及其制备方法。所述制备方法包括步骤：提供碳纳米管纤维；将所述碳纳米管纤维预设为非直线形；为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线；其中，所述碳纳米管纤维弹性导线的拉伸应变大于所述碳纳米管纤维的拉伸应变。所述碳纳米管纤维弹性导线有所述制备方法制得。与现有技术相比，本发明的碳纳米管纤维弹性导线的拉伸应变非常高、高弹性、抗疲劳、耐弯折性能好；且具有轻量化和高导电率的特点；另外其制备方法简单，易于规模化制备。

Description

碳纳米管纤维弹性导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及弹性导线技术领域，特别涉及一种碳纳米管纤维弹性导线及其制备方法。
背景技术
随着物联网以及可穿戴技术的发展，柔性、可伸缩器件是电子器件发展的主流趋势，其中弹性导线是柔性器件发展的关键材料，近年来受到人们的广泛关注。
目前，弹性导线主要包括以下几种：（1）将传统金属导线缠绕在弹性载体上，虽然可以实现一定程度上的拉伸或弯折，但是由于传统金属导线由于其自身刚性、不耐弯折等缺陷，在使用过程中容易出现断裂；（2）将导电材料（如炭黑、金属粉末）直接同弹性聚合物混合得到弹性导线，但由于弹性聚合物的存在，此类导线均存在电阻高、导电效率低的缺陷，而且此类导线的拉伸性能也较差。
近些年，纳米技术飞速发展，碳纳米管材料具有非常高的力学性能和导电性能，纳米材料的引入为弹性导线的开发提供了可能。多根纳米尺度碳纳米管或碳纳米管束通过纺丝技术组装成宏观尺寸的纤维状材料，称之为碳纳米管纤维材料。近些年的众多研究成果表明，碳纳米管纤维在轻质、高强、高导电纤维材料的发展方面具有非常广泛的应用前景。而合理利用碳纳米管纤维的性能，解决目前弹性导线在导电率、弹性、拉伸性能、耐疲劳等方面的困境也是一个重要课题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种碳纳米管纤维弹性导线及其制备方法，不仅具有高导电率、高弹性、高拉伸应变和极佳的抗疲劳性能，而且制备方法简单，易于规模化制备。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供了一种碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，所述制备方法包括步骤：
提供碳纳米管纤维；
将所述碳纳米管纤维预设为非直线形；
为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线；其中，所述碳纳米管纤维弹性导线的拉伸应变大于所述碳纳米管纤维的拉伸应变。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述碳纳米管纤维弹性导线呈螺旋状、方波状、锯齿波状、三角波状、正弦波状、蛇形状的任意一种。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述步骤“将所述碳纳米管纤维预设为非直线形”包括：
将所述碳纳米管纤维呈非直线形固定于耐高温绝缘基体上。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述步骤“将所述碳纳米管纤维预设为非直线形”包括：
将所述碳纳米管纤维螺旋缠绕于耐高温绝缘管表面。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述耐高温绝缘管的材料为石英或刚玉。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述步骤“为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线”前还包括：
将所述碳纳米管纤维放置于真空环境或保护性气氛环境中。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述保护性气氛环境为氮气环境或惰性气体环境。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述步骤“为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线”中，通电功率密度为20~20W/mm3，所述时间段为10~100s。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式还提供了一种碳纳米管纤维弹性导线，所述碳纳米管纤维弹性导线由以上所述的制备方法制得。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述碳纳米管纤维弹性导线呈螺旋状、方波状、锯齿波状、三角波状、正弦波状、蛇形状的任意一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：碳纳米管纤维弹性导线的拉伸应变非常大，具有高弹性；碳纳米管纤维弹性导线主要以纳米级碳纳米管组成，抗疲劳、耐弯折性能好；且其完全由碳纳米管材料构成，具有轻量化和高导电率的特点；另外其制备方法简单，易于规模化制备。
附图说明
图1是本发明一实施方式的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法的流程图；
图2是本发明一实施例的呈螺旋状碳纳米管纤维弹性导线的制备方法的流程图；
图3是本发明一实施方式的呈螺旋状碳纳米管纤维弹性导线的示意图；
图4是本发明一实施方式的呈锯齿波状碳纳米管纤维弹性导线的形状示意图；
图5是本发明一实施方式的呈三角波状碳纳米管纤维弹性导线的形状示意图；
图6和图7是本发明一实施方式的呈正弦波状碳纳米管纤维弹性导线的形状示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参看图1，图1是本发明一实施方式的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法的流程图。所述制备方法包括步骤：
提供碳纳米管纤维；
将所述碳纳米管纤维预设为非直线形；
为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线；其中，所述碳纳米管纤维弹性导线的拉伸应变大于所述碳纳米管纤维的拉伸应变。
本本发明一实施方式的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，不仅工艺简单，易于规模化制备；而且利用该制备方法制得的碳纳米管纤维弹性导线，由于其定型为非直线形，拉伸应变非常大、抗疲劳和耐弯折性能好，且兼具了碳纳米管的轻量化和高导电率的特点。
其中，所述步骤“将所述碳纳米管纤维预设为非直线形” 包括：
将所述碳纳米管纤维呈非直线形固定于耐高温绝缘基体上。
具体的，可通过将所述碳纳米管纤维固定于耐高温绝缘基体表面、或夹持固定于耐高温绝缘基体的型腔内，以使所述碳纳米管纤维预设成并维持非直线形。其中，所述耐高温绝缘基体设置为耐温不低于1000摄氏度的材料。
另外，所述非直线形可设置为螺旋形、方波形、锯齿波形、三角波形、正弦波形、蛇形的任意一种，相应的，采用所述制备方法制得的所述碳纳米管纤维弹性导线呈螺旋状、方波状、锯齿波状、三角波状、正弦波状、蛇形状的任意一种。
所述步骤“提供碳纳米管纤维”包括：
采用浮动催化化学气相沉积法合成可用于纺丝的碳纳米管阵列；
采用纺丝方法制备一根碳纳米管纤维。
其中，所述碳纳米管纤维的直径可为5~200µm，纤维长度为0~10m。实际制备过程中，还可根据需求设置所述碳纳米管纤维的直径和长度。
所述步骤“为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线”前还包括：
将所述碳纳米管纤维放置于真空环境或保护性气氛环境中。
优选地，所述保护性气氛环境为氮气环境或惰性气体环境，还可为还原性气体环境。这样，可防止在通电过程中所述碳纳米管纤维发生氧化变质。
另外，所述步骤“为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线”包括：
将所述碳纳米管纤维的两端连通至电源；
为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线。
所述电源可以是直流电源或者交流电源，通电功率密度为20-120W/mm3，所述时间段为10-100s。在电流作用下，所述碳纳米管纤维发生定型。通电处理结束以后，断开电源，将定型后的所述碳纳米管纤维从所述耐高温绝缘基体上取下，即得到所述碳纳米管纤维弹性导线。
参看图2，图2是本发明一实施例的呈螺旋状碳纳米管纤维弹性导线的制备方法的流程图。呈螺旋状碳纳米管纤维弹性导线的制备方法包括步骤：
提供碳纳米管纤维；
将所述碳纳米管纤维螺旋缠绕于耐高温绝缘管表面；
为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为螺旋状碳纳米管纤维弹性导线；其中，所述碳纳米管纤维弹性导线的拉伸应变大于所述碳纳米管纤维的拉伸应变。
所述步骤“将所述碳纳米管纤维螺旋缠绕于耐高温绝缘管表面”为：
将所述碳纳米管纤维按顺时针或逆时针均匀螺旋缠绕于耐高温绝缘管表面。
其中，所述耐高温绝缘管可设置为直径为0.1-5mm的圆柱形。优选地，所述耐高温绝缘管设置为耐温不小于1000摄氏度的绝缘材料，可以为石英、刚玉等。
本发明一实施方式还提供一种碳纳米管纤维弹性导线，所述碳纳米管纤维弹性导线由以上所述的制备方法制得。参看图3~图7，所述碳纳米管纤维弹性导线呈螺旋状、方波状、锯齿波状、三角波状、正弦波状、蛇形状的任意一种。
针对本发明一实施例提供的螺旋状碳纳米管纤维弹性导线进行拉伸应变实验：所述碳纳米管纤维弹性导线在初始状态下的原始长度为3cm；在拉伸状态下其拉伸长度可以达到10cm；当释放两端拉力作用以后，所述碳纳米管纤维弹性导线可恢复到原始长度3cm。由此说明，所述碳纳米管纤维弹性导线具有非常大的拉伸应变。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：碳纳米管纤维弹性导线的拉伸应变非常大，具有高弹性；碳纳米管纤维弹性导线主要以纳米级碳纳米管组成，抗疲劳、耐弯折性能好；且其完全由碳纳米管材料构成，具有轻量化和高导电率的特点；另外其制备方法简单，易于规模化制备。
上文所列出的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
提供碳纳米管纤维；
将所述碳纳米管纤维预设为非直线形；
为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线；其中，所述碳纳米管纤维弹性导线的拉伸应变大于所述碳纳米管纤维的拉伸应变。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管纤维弹性导线呈螺旋状、方波状、三角波状、蛇形状的任意一种。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，其特征在于，所述步骤“将所述碳纳米管纤维预设为非直线形”包括：
将所述碳纳米管纤维呈非直线形固定于耐高温绝缘基体上。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，其特征在于，所述步骤“将所述碳纳米管纤维预设为非直线形”包括：
将所述碳纳米管纤维螺旋缠绕于耐高温绝缘管表面。
5.根据权利要求4所述的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，其特征在于，所述耐高温绝缘管的材料为石英或刚玉。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，其特征在于，所述步骤“为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线”前还包括：
将所述碳纳米管纤维放置于真空环境或保护性气氛环境中。
7.根据权利要求6所述的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，其特征在于，所述保护性气氛环境为氮气环境或惰性气体环境。
8.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维弹性导线的制备方法，其特征在于，所述步骤“为所述碳纳米管纤维通电一时间段，所述碳纳米管纤维定型为非直线形碳纳米管纤维弹性导线”中，通电功率密度为20~120W/mm3，所述时间段为10~100s。
9.一种碳纳米管纤维弹性导线，其特征在于，所述碳纳米管纤维弹性导线由权利要求1~8任一项所述的制备方法制得。
10.根据权利要求9所述的碳纳米管纤维弹性导线，其特征在于，所述碳纳米管纤维弹性导线呈螺旋状、方波状、三角波状、蛇形状的任意一种。
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