CN106242321A - 纳米碳管涂层材料及其制备方法、以及具有该涂层的光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米碳管涂层材料及其制备方法、以及具有该涂层的光纤，涉及光纤制备技术领域。该纳米碳管涂层材料由纳米碳分散体构成，该纳米碳分散体包括质量比为100：1～5：1～20的水、单链DNA、纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。制备该涂层材料时，先将1～5份的单链DNA与100份的水进行混合，再加入1～20份的纳米碳管，使单链DNA缠绕在纳米碳管表面；然后进行超声处理和高速离心处理，使分离后的纳米碳管达到完全溶解状态，形成纳米碳分散体；利用形成的纳米碳分散体制得纳米碳管涂层材料。该纳米碳管涂层材料能保证光纤的高强度、强疏水性及酸屏障性，且工艺简单、稳定性好，为光纤提供了更好的保护。
Description
技术领域
本发明涉及光纤制备技术领域，具体涉及一种纳米碳管涂层材料及其制备方法、以及具有该涂层的光纤。
背景技术
光纤是光缆中最重要的组成材料之一，要提高光缆的使用寿命，最根本的是要提高光纤的使用寿命。经研究表明，影响光纤机械寿命的主要原因包括：光纤表面微裂纹的存在和扩大；大气环境中的水和水蒸气对光纤表面的浸蚀；残存应力的长期作用等。由于上述原因，使得以石英玻璃为基础的光纤机械强度逐渐降低，衰耗慢慢增大，最后使光纤断裂，终止了光缆的使用寿命。
目前，生产厂家为确保长光纤的强度值，针对影响光纤机械寿命的主要因素在生产工艺及生产设备上采取了一系列相应措施：预制棒的火焰抛光和HF浸蚀；在清洁的环境中高速拉丝；在光纤表面密封涂覆碳或金属；压应力包层技术等。但就目前的制造技术来看，现有的光纤强度还远低于理论强度值。
为了进一步提高光纤强度延长光纤寿命，避免水气的侵蚀，通常生产厂家会设法将石英纤维本身与大气环境隔绝开来，使之不受大气环境的影响。虽然，现有的光纤密封涂覆技术(金属密封涂覆或碳密封涂覆)实现了一定的密封功能，使得光纤具有较高的耐疲劳特性，但是，金属密封涂覆工艺复杂，不能涂覆很长的光纤，且金属涂覆层由于与SiO2发生化学反应，其机械强度反而降低；碳密封涂覆工艺相对简单，可以较好的抵抗水气及酸性腐蚀，但光纤强度很大程度上取决于工艺条件，稳定性差。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种纳米碳管涂层材料及其制备方法、以及具有该涂层的光纤，本发明的纳米碳管涂层材料具有高轴向弹性模量及高表面体积比，保证了光纤的高强度、强疏水性及酸屏障性，且工艺简单、稳定性好，能够对光纤起到长期高效的保护作用，从而延长光纤的使用寿命。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：提供一种纳米碳管涂层材料，该涂层材料由纳米碳分散体构成，所述纳米碳分散体包括质量比为100：1～5：1～20的水、单链DNA、纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。
在上述技术方案的基础上，所述单链DNA为20个GT碱基对重复序列组成的单链DNA。
在上述技术方案的基础上，所述水为去离子水。
在上述技术方案的基础上，所述单链DNA缠绕在纳米碳管表面。
本发明还提供一种纳米碳管涂层材料的制备方法，包括以下步骤：S1、溶液的混合：以质量份数计，将1～5份的单链DNA与100份的水进行混合；在混合后的溶液中加入1～20份的纳米碳管，使单链DNA缠绕在纳米碳管表面；S2、超声处理：将加有纳米碳管的溶液在冰水池中进行超声处理，使溶液中缠绕有单链DNA的纳米碳管沉淀至底部；S3、高速离心处理：利用超高速离心器分离未溶解部分，直至分离后的纳米碳管达到完全溶解状态，形成纳米碳分散体；S4、制得涂层材料：利用形成的纳米碳分散体制得纳米碳管涂层材料。
在上述技术方案的基础上，制备该纳米碳管涂层材料时的环境温度为10℃～40℃，环境湿度小于85％。
在上述技术方案的基础上，所述单链DNA为20个GT碱基对重复序列组成的单链DNA。
在上述技术方案的基础上，所述水为去离子水。
本发明还提供一种具有纳米碳管涂层的光纤，该光纤包括裸光纤，裸光纤的表面涂覆有纳米碳管涂层，该纳米碳管涂层采用纳米碳管涂层材料固化而成；所述纳米碳管涂层材料由纳米碳分散体构成，所述纳米碳分散体包括质量比为100：1～5：1～20的水、单链DNA、纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。
在上述技术方案的基础上，所述裸光纤和纳米碳管涂层之间涂覆有具有阻水性能的聚合物光纤涂层。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明的纳米碳管涂层材料由纳米碳分散体构成，该纳米碳分散体由质量比为100：1～5：1～20的水、单链DNA(Deoxyribonucleic acid，脱氧核糖核酸)、纳米碳管(CNT)混合，并经过超声处理和高速离心处理得到。纳米碳分散体主要包括单链DNA和纳米碳管。其中，纳米碳管能对杂质、水气、氧气及其他可能的入侵原子和分子起到的屏蔽作用，可疏离水分子或者其他趋于光纤表面启动应力腐蚀过程并最终导致光纤失效的分子，从而大大改善光纤强度，热稳定性、阻水及疏水性能，并增加其对振动、弯曲及动态环境引起的周期应力的抵抗能力；而单链DNA能缠绕在纳米碳管表面，令纳米碳管在液体底部聚集，能帮助纳米碳管在超声处理和高速离心处理阶段时的分散，避免纳米碳管团聚成块，利于纳米碳管的有效复合。
与现有技术相比，本发明的纳米碳管涂层材料能使光纤强度达到5.6GPa的强度值；该纳米碳管涂层的疏水率大于95％；60℃条件下，该复合涂层浸泡40％的硫酸溶液30天，仍然保持高硬度和光泽性。因此，本纳米碳管涂层材料能保证光纤的高强度、强疏水性及酸屏障性，且工艺简单、稳定性好，能够对光纤起到长期高效的保护作用，从而延长光纤的使用寿命。
(2)本发明中，单链DNA优选为20个GT碱基对重复序列组成的单链DNA，水优选为去离子水。20个GT碱基对重复序列组成的单链DNA能提供一种与纳米碳管完全匹配的DNA电荷中心，并能形成与围绕纳米碳管缠绕的最佳空间；去离子水能尽可能地避免因水中电解质的存在而影响单链DAN或纳米碳管的质量，从而保证工艺质量。
附图说明
图1为本发明实施例中纳米碳管涂层材料的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明实施例提供一种纳米碳管涂层材料，该涂层材料由纳米碳分散体构成，该纳米碳分散体包括质量比为100：1～5：1～20的水、单链DNA(Deoxyribonucleic acid，脱氧核糖核酸)和纳米碳管(CNT)，并经过超声处理和高速离心得到。其中，单链DNA优选为20个GT碱基对重复序列组成的单链DNA。该20个GT碱基对重复序列组成的单链DNA能提供一种与纳米碳管完全匹配的DNA电荷中心，并能形成与围绕纳米碳管缠绕的最佳空间。另外，水可优选为去离子水，去离子水能尽可能地避免因水中电解质的存在而影响单链DAN或纳米碳管的质量。
本发明为保证光纤强度、延长光纤寿命，利用了纳米碳管对杂质、水气、氧气及其他可能的入侵原子和分子的屏蔽作用。但由于纳米碳管相互间的聚集力(范德华力)很高，彼此关联性强不易溶解于溶剂，容易团聚成块，阻碍纳米碳管的有效复合，因此，为了使纳米碳管均匀分布，需要将其进行分散。而本发明独特地运用到了单链DNA，使单链DNA缠绕在纳米碳管表面，令纳米碳管在液体底部聚集，并经过超声处理和高速离心处理使之分散，形成纳米碳分散体。将由该纳米碳分散体构成的涂层材料涂覆于光纤表面，可使光纤具有高强度、强疏水性及酸屏障性，从而延长光纤的使用寿命。
另外，虽然目前除单链DNA外的其他聚合物，如聚酰亚胺、丙烯酸脂等已广泛用于制造纳米碳分散体，并将其作为涂层材料涂覆于光纤表面。但这些现有的具有一定阻水性能的聚合物光纤涂层的一个致命缺陷是其强度低，无法满足高强度光纤的要求。而将单链DNA作为聚合物并添加微量纳米碳管，可疏离水分子或者其他趋于光纤表面启动应力腐蚀过程并最终导致光纤失效的分子。不同于半球状尾端的闭合管道，纳米碳管通过切断其尾端来制止水分子或其他物质侵蚀光纤，使其保持开通状态，从而大大改善光纤强度，热稳定性、阻水及疏水性能，并增加其对振动、弯曲及动态环境引起的周期应力的抵抗能力。
参见图1所示，本发明实施例还提供一种纳米碳管涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、溶液的混合：以质量份数计，将1～5份的单链DNA与100份的水进行混合；在混合后的溶液中加入1～20份的纳米碳管，使单链DNA缠绕在纳米碳管表面。
S2、超声处理：将加有纳米碳管的溶液在冰水池中进行超声处理，使溶液中缠绕有单链DNA的纳米碳管沉淀至底部。实际观察时，可见纳米碳管如黑色墨水般沉淀至溶液底部。
S3、高速离心处理：利用超高速离心器分离未溶解部分，直至分离后的纳米碳管达到完全溶解状态，形成纳米碳分散体。
S4、制得涂层材料：利用形成的纳米碳分散体制得纳米碳管涂层材料。
上述纳米碳管涂层材料的制备环境如下：制备环境温度范围在10℃～40℃之间，环境湿度小于85％。
下面通过5个具体实施例对上述纳米碳管涂层材料及其制备方法作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种具有高强度、强疏水性及酸屏障性的纳米碳管涂层材料，该涂层材料由纳米碳分散体构成，纳米碳分散体包括质量比为100：1：1的水、单链DNA和纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。
本实施例还提供上述纳米碳管涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
溶液的混合：将1份的单链DNA与100份的水进行混合；在混合后的溶液中加入1份的纳米碳管，使单链DNA缠绕纳米碳管表面。
超声处理：将加有纳米碳管的溶液在冰水池中进行超声处理，使溶液中缠绕有单链DNA的纳米碳管沉淀至底部。
高速离心处理：利用超高速离心器分离未溶解部分，直至分离后的纳米碳管达到完全溶解状态，形成纳米碳分散体。
制得涂层材料：利用形成的纳米碳分散体制得纳米碳管涂层材料。
实施例2
本实施例提供一种具有高强度、强疏水性及酸屏障性的纳米碳管涂层材料，该涂层材料由纳米碳分散体构成，纳米碳分散体包括质量比为100：3：10.5的水、单链DNA和纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。
本实施例还提供上述纳米碳管涂层材料的制备方法，其基本步骤与实施例1相同，不同之处在于：在进行溶液的混合的步骤中，是将3份的单链DNA与100份的水进行混合；在混合后的溶液中加入10.5份的纳米碳管，使单链DNA缠绕在纳米碳管表面。
实施例3
本实施例提供一种具有高强度、强疏水性及酸屏障性的纳米碳管涂层材料，该涂层材料由纳米碳分散体构成，纳米碳分散体包括质量比为100：5：20的水、单链DNA和纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。
本实施例还提供上述纳米碳管涂层材料的制备方法，其基本步骤与实施例1相同，不同之处在于：在进行溶液的混合的步骤中，是将5份的单链DNA与100份的水进行混合；在混合后的溶液中加入20份的纳米碳管，使单链DNA缠绕在纳米碳管表面。
实施例4
本实施例提供一种具有高强度、强疏水性及酸屏障性的纳米碳管涂层材料，该涂层材料由纳米碳分散体构成，纳米碳分散体包括质量比为100：2：10的水、单链DNA和纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。
本实施例还提供上述纳米碳管涂层材料的制备方法，其基本步骤与实施例1相同，不同之处在于：在进行溶液的混合的步骤中，是将2份的单链DNA与100份的水进行混合；在混合后的溶液中加入10份的纳米碳管，使单链DNA缠绕在纳米碳管表面。
实施例5
本实施例提供一种具有高强度、强疏水性及酸屏障性的纳米碳管涂层材料，该涂层材料由纳米碳分散体构成，纳米碳分散体包括质量比为100：4：15的水、单链DNA和纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。
本实施例还提供上述纳米碳管涂层材料的制备方法，其基本步骤与实施例1相同，不同之处在于：在进行溶液的混合的步骤中，是将4份的单链DNA与100份的水进行混合；在混合后的溶液中加入15份的纳米碳管，使单链DNA缠绕在纳米碳管表面。
本发明还提供一种具有纳米碳管涂层的光纤，包括裸光纤，裸光纤的表面涂覆有纳米碳管涂层，该纳米碳管涂层采用上述纳米碳管涂层材料固化而成。进一步的，为了给光纤提供最好的阻水保护，还可在裸光纤和纳米碳管涂层之间增设常规的具有阻水性能的聚合物光纤涂层，该聚合物可为聚酰亚胺或丙烯酸脂。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种纳米碳管涂层材料，其特征在于：该涂层材料由纳米碳分散体构成，所述纳米碳分散体包括质量比为100：1～5：1～20的水、单链DNA、纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。
2.如权利要求1所述的纳米碳管涂层材料，其特征在于：所述单链DNA为20个GT碱基对重复序列组成的单链DNA。
3.如权利要求1所述的纳米碳管涂层材料，其特征在于：所述水为去离子水。
4.如权利要求1所述的纳米碳管涂层材料，其特征在于：所述单链DNA缠绕在纳米碳管表面。
5.一种纳米碳管涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、溶液的混合：以质量份数计，将1～5份的单链DNA与100份的水进行混合；在混合后的溶液中加入1～20份的纳米碳管，使单链DNA缠绕在纳米碳管表面；
S2、超声处理：将加有纳米碳管的溶液在冰水池中进行超声处理，使溶液中缠绕有单链DNA的纳米碳管沉淀至底部；
S3、高速离心处理：利用超高速离心器分离未溶解部分，直至分离后的纳米碳管达到完全溶解状态，形成纳米碳分散体；
S4、制得涂层材料：利用形成的纳米碳分散体制得纳米碳管涂层材料。
6.如权利要求5所述的纳米碳管涂层材料的制备方法，其特征在于：制备该纳米碳管涂层材料时的环境温度为10℃～40℃，环境湿度小于85％。
7.如权利要求5所述的纳米碳管涂层材料的制备方法，其特征在于：所述单链DNA为20个GT碱基对重复序列组成的单链DNA。
8.如权利要求5所述的纳米碳管涂层材料的制备方法，其特征在于：所述水为去离子水。
9.一种具有纳米碳管涂层的光纤，其特征在于：该光纤包括裸光纤，裸光纤的表面涂覆有纳米碳管涂层，该纳米碳管涂层采用纳米碳管涂层材料固化而成；所述纳米碳管涂层材料由纳米碳分散体构成，所述纳米碳分散体包括质量比为100：1～5：1～20的水、单链DNA、纳米碳管，并经过超声处理和高速离心得到。
10.如权利要求9所述的具有纳米碳管涂层的光纤，其特征在于：所述裸光纤和纳米碳管涂层之间涂覆有具有阻水性能的聚合物光纤涂层。
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