CN108070932A - 一种有效提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种有效地提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法，解决了现有技术中单壁碳纳米管纤维的机械性能差、韧性差的问题。本发明是按照以下方式进行的：01、采用化学气相沉积法制备单壁碳纳米管薄膜；02、将单壁碳纳米管薄膜浸入聚乙烯醇或者聚乙烯醇、稀硝酸的水溶液得到单壁碳纳米管复合纤维；03、将单壁碳纳米管复合纤维搭在框架上，重复此操作，叠搭后得到多根组合的单壁碳纳米管复合纤维；04、将上述多根单壁碳纳米管复合纤维加上负重后，使用旋转纺织的方法，利用马达将其纺织成为一根紧实的复合纤维。本发明进一步提高了碳纳米管纤维的力学性能，扩大了碳纳米管在柔性可拉伸超级电容器、可穿戴电子器件、人造肌肉等领域的应用。

Description

一种有效提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法
技术领域
本发明涉及一种提高单壁碳纳米管力学性能的制备方法，特别是一种有效提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法，属于纳米材料的加工技术和应用领域。
背景技术
碳纳米管是一种典型的一维管状纳米材料，具有非常突出的机械性能以及良好的导电性、导热性、柔性和韧性。另外，碳纳米管具有质量轻、强度高的特点，使碳纳米管在柔性可拉伸超级电容器、导线、多功能复合材料纤维、应力应变传感器、电极、致动器以及人造肌肉等领域有着广阔的应用前景。目前，制备碳纳米管纤维的方法有很多，比如湿法纺丝，干法纺丝等。然而，影响碳纳米管纤维力学性能的因素有很多，包括碳纳米管的直径、长度、碳纳米管内部的有序程度及滑移力等。所以多根碳纳米管组合之后，缺陷大大增加，根据理论计算，单根碳纳米管的强度可达50 GPa，而多根碳纳米管组合之后，强度为80 MPa，与单根碳纳米管相比，其强度大大降低，这极大地限制了碳纳米管的应用。因此，如何提高碳纳米管纤维强度，依然存在巨大的挑战。
发明内容
本发明提出一种有效地提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法，解决了现有技术中单壁碳纳米管纤维的机械性能差、韧性差的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种有效提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法，是按照以下方式进行的：
01、采用化学气相沉积法制备单壁碳纳米管薄膜；
02、将上述单壁碳纳米管薄膜浸入聚乙烯醇或者聚乙烯醇、稀硝酸的水溶液得到单壁碳纳米管复合纤维；
03、将通过溶液后的单壁碳纳米管复合纤维搭在框架上，重复此操作，叠搭后得到多根组合的单壁碳纳米管复合纤维；
04、将上述多根单壁碳纳米管复合纤维加上负重后，使用旋转纺织的方法，利用马达将其纺织成为一根紧实的复合纤维。
在步骤02中，溶液为1：100的聚乙烯醇溶液，或者所述溶液1：100的聚乙烯醇和10~20%的硝酸的混合溶液。
在步骤03中，叠搭单壁碳纳米管复合纤维的过程中，用喷雾对复合纤维进行润湿，湿度为80%-90%。
在步骤04中，单壁碳纳米管复合纤维上的负重为20-100 g。
本发明的制备方法进一步提高了碳纳米管纤维的力学性能，扩大了碳纳米管在柔性可拉伸超级电容器、可穿戴电子器件、人造肌肉等领域的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明制备过程示意图。
图2本发明制备的单壁碳纳米管纤维的扫描电子显微镜照片。
其中：1. 管式炉，2. 单壁碳纳米管薄膜，3. 溶液，4. 单壁碳纳米管复合纤维，5.多根组合碳纳米管复合纤维 ，6. 框架，7. 喷雾，8. 直丝复合纤维，9. 马达，10. 固定轴，11. 毛细管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种有效提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法，是按照以下方式进行的：
01、采用化学气相沉积法制备单壁碳纳米管薄膜，直径在几十到几百微米之间；
02、将上述单壁碳纳米管薄膜浸入聚乙烯醇或者聚乙烯醇、稀硝酸的水溶液得到单壁碳纳米管复合纤维，所述的浸入是单壁碳纳米管薄膜2的一端从管式炉1引出后进入溶液3中，溶液3内设有一根毛细管为固定轴10，单壁碳纳米管复合纤维绕过固定轴10后穿出溶液，得到单壁碳纳米管复合纤维4，之后绕道另外一根毛细管11后从溶液中引出；所述固定轴10和毛细管11均是外径为0.5 mm、长为100 mm的玻璃点样毛细管；
03、将通过溶液后的单壁碳纳米管复合纤维搭在框架6上，重复此操作，叠搭得到多根组合单壁碳纳米管复合纤维5；
04、将上述多根单壁碳纳米管复合纤维加上负重后，使用旋转纺织的方法，利用马达9将其纺织成为一根紧实的复合纤维8；
优选的，在步骤02中，溶液为1：100的聚乙烯醇溶液，或者所述溶液1：100的聚乙烯醇和10~20%的硝酸的混合溶液。
优选的，在步骤03中，叠搭单壁碳纳米管复合纤维的过程中，用喷雾7对复合纤维进行润湿，湿度为80%-90%。
进一步的，在步骤04中，单壁碳纳米管复合纤维上的负重为20-100 g。
由化学气相沉积法得到的碳纳米管薄膜具有良好的导电性和导热性。聚乙烯醇可用作胶粘剂，与碳纳米管结合，可以提高其力学性能，由于碳纳米管的疏水性能，加大了其复合难度。
本发明充分利用了单壁碳纳米管极高的力学性能，将单壁碳纳米管薄膜浸入聚乙烯醇与稀硝酸的混合水溶液，单壁碳纳米管薄膜在溶液中收缩成单壁碳纳米管复合纤维，溶液中加入的稀硝酸改善了单壁碳纳米管的表面形态，碳纳米管表面带上了含氧基团，使其具有亲水性能，因此，聚乙烯醇更易进入单壁碳纳米管管束之间的空隙，提高了聚乙烯醇与单壁碳纳米管的结合，极大地提高了单壁碳纳米管的力学性能。另外，强氧化性的硝酸对碳纳米管薄膜有纯化作用，能够去除薄膜中的杂质，如非晶碳和金属颗粒。并且硝酸对碳纳米管还有空穴掺杂的作用，这也提高了单壁碳纳米管的导电性能。
实施例1
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入浓度为1:100的聚乙烯醇水溶液中，碳纳米管薄膜浸入溶液后收缩成纤维，并用玻璃点样毛细管单壁碳纳米管复合纤维4引出。将5根单壁碳纳米管复合纤维4逐根叠搭在固定长度的框架6上，在这个过程中，一直用喷雾对复合纤维进行润湿，使多根单壁碳纳米管复合纤维能够结合在一起，将5根碳纳米管纤维一头固定在马达上，另一头固定在20 g的砝码上。使用旋转纺织法，利用马达将搭制的5根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，碳纳米管/聚乙烯醇的直丝复合纤维的直径为25.54μm。
实施例2
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入浓度为1:100的聚乙烯醇水溶液中，碳纳米管薄膜浸入溶液后收缩成纤维，并用玻璃点样毛细管将碳纳米管纤维引出。将10根复合纤维逐根叠搭在固定长度的框架上，在这个过程中，一直用喷雾对复合纤维进行润湿，使多根复合纤维能够结合在一起，将10根碳纳米管纤维一头固定在马达上，另一头固定在50 g的砝码上，使用旋转纺织法，利用马达将搭制的10根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维，碳纳米管/聚乙烯醇的直丝复合纤维的直径为35.54 μm。
实施例3
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入浓度为1:100的聚乙烯醇水溶液中，碳纳米管薄膜浸入溶液后收缩成纤维，并用玻璃点样毛细管单壁碳纳米管复合纤维4引出。将5根单壁碳纳米管复合纤维4逐根叠搭在固定长度的框架6上，再将5根碳纳米管纤维一头固定在马达上，另一头固定在20 g的砝码上。使用旋转纺织法，利用马达将搭制的5根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，碳纳米管/聚乙烯醇的直丝复合纤维的直径为27.20 μm。
实施例4
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入浓度为1:100的聚乙烯醇水溶液中，碳纳米管薄膜浸入溶液后收缩成纤维，并用玻璃点样毛细管单壁碳纳米管复合纤维4引出。将10根单壁碳纳米管复合纤维4逐根叠搭在固定长度的框架6上，再将5根碳纳米管纤维一头固定在马达上，另一头固定在50 g的砝码上。使用旋转纺织法，利用马达将搭制的10根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，碳纳米管/聚乙烯醇的直丝复合纤维的直径为33.29 μm。
实施例5
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入220 mL浓度为1:100的聚乙烯醇和10 mL浓度为10%稀硝酸的混合水溶液中，碳纳米管薄膜浸入混合水溶液中收缩成复合纤维，并用玻璃毛细管将碳纳米管复合纤维4引出，并将5根碳纳米管复合纤维逐根叠搭在固定长度的框架6上，在这个过程中，一直用喷雾对复合纤维进行润湿，使多根复合纤维能够结合在一起，将5根碳纳米管复合纤维一头固定在马达上，另一头固定在50 g的砝码上，使用旋转纺织法，利用马达将搭制的5根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，直丝复合纤维的直径为21.81 μm。
实施例6
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入220 mL浓度为1:100的聚乙烯醇和10 mL浓度为10%稀硝酸的混合水溶液中，碳纳米管薄膜浸入混合水溶液中收缩成复合纤维，并用玻璃毛细管将碳纳米管复合纤维4引出，并将10根碳纳米管复合纤维逐根叠搭在固定长度的框架6上，在这个过程中，一直用喷雾对复合纤维进行润湿，使多根复合纤维能够结合在一起，将10根碳纳米管复合纤维一头固定在马达上，另一头固定在100 g的砝码上，使用旋转纺织法，利用马达将搭制的5根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，直丝复合纤维的直径为32.80 μm。
实施例7
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入220 mL浓度为1:100的聚乙烯醇和10 mL浓度为10%稀硝酸的混合水溶液中，碳纳米管薄膜浸入混合水溶液中收缩成复合纤维4，并用玻璃毛细管将碳纳米管复合纤维4引出，并将5根碳纳米管复合纤维逐根叠搭在固定长度的框架6上，再将5根碳纳米管复合纤维一头固定在马达上，另一头固定在50 g的砝码上，使用旋转纺织法，利用马达将搭制的5根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，直丝复合纤维的直径为25.02 μm。
实施例8
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入220 mL浓度为1:100的聚乙烯醇和10 mL浓度为20%稀硝酸的混合水溶液中，碳纳米管薄膜浸入混合水溶液中收缩成复合纤维4，并用玻璃毛细管将碳纳米管复合纤维4引出，并将10根碳纳米管复合纤维逐根叠搭在固定长度的框架6上，再将10根碳纳米管复合纤维一头固定在马达上，另一头固定在100 g的砝码上，使用旋转纺织法，利用马达将搭制的10根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，直丝复合纤维的直径为36.13 μm。
实施例 9
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入220 mL浓度为1:100的聚乙烯醇和10 mL浓度为20%稀硝酸的混合水溶液中，碳纳米管薄膜浸入混合水溶液中收缩成复合纤维，并用玻璃毛细管将碳纳米管复合纤维4引出，并将5根碳纳米管复合纤维逐根叠搭在固定长度的框架6上，在这个过程中，一直用喷雾对复合纤维进行润湿，使多根复合纤维能够结合在一起，将5根碳纳米管复合纤维一头固定在马达上，另一头固定在50 g的砝码上，使用旋转纺织法，利用马达将搭制的5根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，直丝复合纤维的直径为24.02 μm。
实施例 10
用一根玻璃毛细管将碳纳米管薄膜浸入220 mL浓度为1:100的聚乙烯醇和10 mL浓度为20%稀硝酸的混合水溶液中，碳纳米管薄膜浸入混合水溶液中收缩成复合纤维，并用玻璃毛细管将碳纳米管复合纤维引出，并将10根碳纳米管复合纤维逐根叠搭在固定长度的框架上，在这个过程中，一直用喷雾对复合纤维进行润湿，使多根复合纤维能够结合在一起，将10根碳纳米管复合纤维一头固定在马达上，另一头固定在100 g的砝码上，使用旋转纺织法，利用马达将搭制的5根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维，直丝复合纤维的直径为34.50 μm。
实施例 11
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入220 mL浓度为1:100的聚乙烯醇和10 mL浓度为20%稀硝酸的混合水溶液中，碳纳米管薄膜浸入混合水溶液中收缩成复合纤维，并用玻璃毛细管将碳纳米管复合纤维4引出，并将5根碳纳米管复合纤维逐根叠搭在固定长度的框架6上，再将5根碳纳米管复合纤维一头固定在马达上，另一头固定在50 g的砝码上，使用旋转纺织法，利用马达将搭制的5根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，直丝复合纤维的直径为26.00 μm。
实施例 12
用玻璃点样毛细管将碳纳米管薄膜浸入220 mL浓度为1:100的聚乙烯醇和10 mL浓度为20%稀硝酸的混合水溶液中，碳纳米管薄膜浸入混合水溶液中收缩成复合纤维，并用玻璃毛细管将碳纳米管复合纤维4引出，并将10根碳纳米管复合纤维逐根叠搭在固定长度的框架6上，再将10根碳纳米管复合纤维一头固定在马达上，另一头固定在100 g的砝码上，使用旋转纺织法，利用马达将搭制的10根复合纤维纺织成一根紧实的直丝复合纤维8，直丝复合纤维的直径为34.37 μm。
实施例12-24用于说明碳纳米管纤维纤维超高的力学性能。
实施例 13
截取上述实施例1中长度为2.5 cm的直丝复合纤维，然后将纤维固定在两端涂有聚乙烯醇的纸模具上，以防止纤维在拉伸过程中滑脱。再将纸模具的两端分别固定在拉伸机的固定夹具和移动夹具上，使两个夹具中间露出的纤维的有效拉伸长度为1 cm，以1 mm/min的速率来拉伸纤维，直至纤维断裂。在纤维拉伸至断裂的过程中，拉伸机实时监测并记录纤维的伸长量和拉伸过程中产生的力。利用扫描电子显微镜观察纤维的直径，计算得到纤维的横截面积，再根据，由此计算得到纤维的强度为2530 MPa。
分别对实施例2-12的样品进行力学测试，测试其抗拉强度。
表1
序号 样品 抗拉强度(MPa)
1 实施例2样品 1725
2 实施例3样品 1053
3 实施例4样品 869
4 实施例5样品 3220
5 实施例6样品 2875
6 实施例7样品 1171
7 实施例8样品 934
8 实施例9样品 3864
9 实施例10样品 3434
10 实施例11样品 1757
11 实施例12样品 1443
从表1可以看出，在单壁碳纳米管表面包裹上聚乙烯醇之后，可以得到高强度的碳纳米管复合纤维。在聚乙烯醇溶液中加入硝酸后，单壁碳纳米管复合纤维的强度进一步增强。且当复合纤维的直径、聚乙烯醇的浓度一定时，加入的硝酸浓度越高，其抗拉强度越高；当加入的聚乙烯醇的浓度和硝酸的浓度一定时，纤维的直径越小，其抗拉强度越高。在叠搭单壁碳纳米管复合纤维的过程中，不进行喷雾，最终所得到的紧实的单壁碳纳米管复合纤维的抗拉强度明显较低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种有效提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法，其特征在于是按照以下方式进行的：
01、采用化学气相沉积法制备单壁碳纳米管薄膜；
02、将上述单壁碳纳米管薄膜浸入聚乙烯醇或者聚乙烯醇、稀硝酸的水溶液得到单壁碳纳米管复合纤维；
03、将通过溶液后的单壁碳纳米管复合纤维搭在框架上，重复此操作，叠搭后得到多根组合的单壁碳纳米管复合纤维；
04、将上述多根单壁碳纳米管复合纤维加上负重后，使用旋转纺织的方法，利用马达将其纺织成为一根紧实的复合纤维。
2.根据权利要求1所述的一种有效提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法，其特征在于：在步骤02中，溶液为1：100的聚乙烯醇溶液，或者所述溶液1：100的聚乙烯醇和10~20%的硝酸的混合溶液。
3.根据权利要求1所述的一种有效提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法，其特征在于：在步骤03中，叠搭单壁碳纳米管复合纤维的过程中，用喷雾对复合纤维进行润湿，湿度为80%-90%。
4. 根据权利要求1所述的一种有效提高单壁碳纳米管纤维力学性能的制备方法，其特征在于：在步骤04中，单壁碳纳米管复合纤维上的负重为20-100 g。
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