CN112391712A - 一种碳纳米管弹性包芯纱及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管弹性包芯纱及其制备方法与应用。所述制备方法包括：提供碳纳米管弹簧线，其具有螺旋结构；提供两个同向转动的加捻辊轴，且两个加捻辊轴之间具有选定间隙，所述加捻辊轴的转动方向与碳纳米管弹簧线的螺旋结构的螺旋方向相同；沿长度方向拉伸碳纳米管弹簧线，使其连续进入选定间隙，同时使由短纤维形成的短纤维流进入所述选定间隙且分布于碳纳米管弹簧线的表面，形成碳纳米管弹性包芯纱。所述碳纳米管弹性包芯纱包括作为芯体的碳纳米管弹簧线，以及完全包覆芯体的皮层，所述皮层包括短纤维。本发明的碳纳米管弹性包芯纱具有良好的力学强度，纱线断裂伸长率提高，耐疲劳性能提高，同时碳纳米管纤维和短纤维实现功能互补。

Description

一种碳纳米管弹性包芯纱及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管弹性包芯纱及其制备方法，特别涉及一种采用CVD法生长的连续碳纳米管(以下可简称为CNT)纤维与天然纤维及化学短切纤维制作复合包芯纱的方法及其应用，属于纳米复合材料加工技术领域。
背景技术
碳纳米管(CNT)是21世纪的新型材料，具有高强度、超轻量的力学特性以及特殊的热学、电学性质。为了实现工程应用，现有技术将其组装成碳纳米管纤维，其是碳纳米管的一维宏观表现形式，一般直径为1～10μm左右，尺寸仍较小，为了进一步发展和深化碳纳米管的宏观材料研究及应用，需要将其加工成宏观材料如碳纳米管纱线，或将其与其他材料加工成复合材料或特殊结构，使其成为工业及工程方面的可以大量使用的应用型材料。
短纤维包括如羊毛、棉花等天然纤维和被切断或拉断成相当于各种天然长度的化学纤维。短纤维长度一般为35-150mm。天然短纤维多用于纺织工业和服装工业，近些年也逐渐和高性能纤维复合(如碳纤维、玻璃纤维等)制成天然纤维复合材料，用于机械性能要求高等特殊工业场合。化学纤维的长短、粗细、强度、耐磨、耐光等及其他功能化可以在生产加工过程中加以调节，制成如超强涤纶、锦纶等高强高模量纤维。这些化学纤维可以独立或复合后用于织物、滤布、运输带、绳索、轮胎帘子线和降落伞等多方面。
目前制备碳纳米管复合纱线的现有技术中，专利CN104294434A公开了一种弹簧状碳纳米管纤维及其制备方法和用途，该方法是将碳纳米管阵列通过干法纺丝制成初级纤维，然后将多根初级纤维并排一起加捻制成碳纳米管弹簧。专利CN106435797A公开了一种纤维素/碳纳米管复合纤维的制备方法，该方法主要是将低聚合度纤维素溶解，制得碳纳米管的载体溶液，将碳纳米管粉末与载荷溶液混合，经溶液纺丝制得纤维素/碳纳米管复合纤维；专利CN108049166A公开了一种制备多功能碳纳米管复合纱线的方法，该方法是将气相浮动法制备的碳纳米管纤维放入膨松剂、相容剂和树脂基体的混合液中，使膨松剂混入CNT纱线内部，产生微爆破作用使得树脂基体分子或纳米颗粒进入纱线内部制成CNT复合纱线。
例如，一些期刊文章公开了碳纳米管包芯纱的制作方法(参见Daohong Zhang,Menghe Miao,et al.Core-Spun Carbon Nanotube Yarn Supercapacitors for WearableElectronic Textiles[J].ACS Nano,2014,8(5)4571-4579.)，该方法是采用只采用一步纺纱制得金属纤维和碳纳米管纤维的包芯纱，其中金属纤维作为内芯，碳纳米管阵列被抽拉和金属纤维一起旋转加捻，如此碳纳米管阵列作为外面的包裹层将金属纤维包裹在内制得复合包芯纱。现有技术中多采用的是具有一定功能性如导电的金属纤维，这样的复合纱线多用于线缆或者工程用，不适合制造智能纺织品。
但是前述的现有技术存在加工和性能上的一些缺点，如前述方法中碳纳米管弹簧的加工长度有限，加工时所用的初级纤维长度分别为1-50cm、2-50cm、5-50cm，即碳纳米管弹簧最长长度为50cm，该弹簧不能作为宏观材料进行工程应用；碳纳米管复合纱线的加工方法要么采用碳纳米管粉末和其他溶液混合后制得溶液通过溶液纺丝制备复合纱线；要么是将碳纳米管阵列抽拉加捻制成碳纳米管和金属纤维的包芯复合纱线，这些方法都没有涉及到如何用CVD法生长的碳纳米管纤维如何制备复合纱线，没有涉及到如何制备宏观且连续的碳纳米管弹簧线，也没有涉及到CNT纤维和短纤维复合纱线的加工。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种碳纳米管弹性包芯纱及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种碳纳米管弹性包芯纱的制备方法，其包括：
提供碳纳米管弹簧线，其具有螺旋结构；
提供两个同向转动的加捻辊轴，且两个所述加捻辊轴之间具有选定间隙，其中所述加捻辊轴的转动方向与所述碳纳米管弹簧线的螺旋结构的螺旋方向相同；
沿长度方向拉伸所述碳纳米管弹簧线，并使所述碳纳米管弹簧线连续进入所述选定间隙，同时使由短纤维形成的短纤维流进入所述选定间隙且分布于所述碳纳米管弹簧线的表面，形成碳纳米管弹性包芯纱。
在一些实施例中，所述碳纳米管弹簧线的行进方向与所述短纤维的行进方向相互垂直。
在一些实施例中，所述制备方法包括：
沿长度方向牵拉两根以上碳纳米管单纤维，并使该两根以上碳纳米管单纤维在导纱钩的作用下合成碳纳米管纤维束；
对所述碳纳米管纤维束进行加捻处理，同时采用卷绕机构收集，形成所述碳纳米管弹簧线。
进一步地，所述制备方法包括：沿长度方向拉伸所述碳纳米管弹簧线，并使所述碳纳米管弹簧线沿水平方向以0.5m/min～5m/min的速度连续进入所述选定间隙。
进一步地，所述制备方法包括：由短纤维形成的短纤维流在气流带动下沿垂直方向进入所述选定间隙，且短纤维流中相邻短纤维平行排列。
本发明实施例还提供了由前述任一种方法制备的碳纳米管弹性包芯纱，其包括作为芯体的碳纳米管弹簧线，以及，完全包覆所述芯体的皮层，所述皮层包括短纤维，所述短纤维平行排列地分布于所述碳纳米管弹簧线的表面。
本发明实施例还提供了前述碳纳米管弹性包芯纱于智能织物、弹性织物或电磁屏蔽产品等领域中的用途。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1.本发明提供的碳纳米管弹性包芯纱的制备方法采用的是连续的碳纳米管纤维集合体制备而成的碳纳米管弹簧线，而非碳纳米管粉末或阵列，填补了碳纳米管纤维复合纱线的空白；
2.本发明提供的碳纳米管弹性包芯纱的制备方法突破新思路，跳脱出现有的溶液纺丝、纳米材料涂覆等方法，用机械和空气动力相结合的方式对短纤维和碳纳米管弹簧线进行宏观加工，使短纤维完全包裹在碳纳米管弹簧线外层得到新的纱线结构。短纤维将碳纳米管弹簧线完全包裹在内部，包芯纱结构层次、功能分明；
3.本发明提供的碳纳米管弹性包芯纱是首次将连续的碳纳米管纤维和天然纤维或化学纤维等短纤维结合，避免了现有产品的性能弱点。若外层的短纤维为天然纤维，而天然纤维手感柔软舒适，主要体现服用舒适性；若外层短纤维为化学纤维，而化学纤维强度高、模量高、纤维耐磨，可以增强复合材料的机械性能。同时复合材料内部的碳纳米管弹簧线可以增强复合材料的导热性、导电性，两种不同材料结合优势互补。
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中记载的一些实施例，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为本发明一典型实施案例中的碳纳米管弹簧线及其短纤维复合包芯纱的制备原理示意图。
图2a、图2b、图2c分别为本发明一典型实施案例中单根CNT纤维、8根CNT纤维束形成的CNT弹簧线和CNT弹性包芯纱的SEM图片。
图3为本发明一典型实施案例中一种碳纳米管弹性包芯纱的横截面形貌SEM图。
图4为本发明一典型实施案例中碳纳米管弹簧线的弹性及耐疲劳性能测试结果图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是突破现有碳纳米管复合纱线的制备方法，用机械和空气动力相结合的方法，将气相浮动法(CVD法)制备的两根及以上碳纳米管纤维并合后制成的碳纳米管弹簧线(以下简称为CNT弹簧线)作为内芯通过一对同向转动的加捻辊轴的中心间隙，然后短纤维从加捻辊轴正上方平行顺直排列地定向进入两个加捻辊轴间隙，加捻辊轴同向转动同时搓动CNT弹簧线和短纤维，便将短纤维牢牢的包裹在CNT纤维束的外层，制成复合包芯纱。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种碳纳米管弹性包芯纱的制备方法，其包括：
提供碳纳米管弹簧线，其具有螺旋结构；
提供两个同向转动的加捻辊轴，且两个所述加捻辊轴之间具有选定间隙，其中所述加捻辊轴的转动方向与所述碳纳米管弹簧线的螺旋结构的螺旋方向相同；
沿长度方向拉伸所述碳纳米管弹簧线，并使所述碳纳米管弹簧线连续进入所述选定间隙，同时使由短纤维形成的短纤维流进入所述选定间隙且分布于所述碳纳米管弹簧线的表面，形成碳纳米管弹性包芯纱。
在一些实施例中，所述碳纳米管弹簧线的行进方向与所述短纤维的行进方向相互垂直。
在一些实施例中，所述制备方法包括：
沿长度方向牵拉两根以上碳纳米管单纤维，并使该两根以上碳纳米管单纤维在导纱机的作用下合成碳纳米管纤维束；
对所述碳纳米管纤维束进行加捻处理，同时采用卷绕机构收集，形成所述碳纳米管弹簧线。
进一步地，所述制备方法包括：将两根以上碳纳米管单纤维并排置于并股机上，并通过导纱钩集束形成所述碳纳米管纤维束，之后进行收集卷绕。
进一步地，单根所述碳纳米管纤维的直径为50μm～70μm。
进一步地，所述碳纳米管单纤维由气相浮动法(CVD法)制备形成。
进一步地，单根所述碳纳米管纤维的线密度为4～5tex。
进一步地，所述碳纳米管纤维束的线密度为8～100tex。
进一步地，对所述碳纳米管纤维束进行收集卷绕的速度为10m/min～50m/min。
进一步地，本发明方法是使用碳纳米管弹簧线是由2根及2根以上根数的碳纳米管单纤维并合后制成弹簧线，优选为4～20根，但不限于此。
进一步地，收集卷绕成管的碳纳米管纤维束被放置在加捻机上加强捻制成碳纳米管弹簧线。
在一些实施例中，所述制备方法包括：以0.5m/min～1m/min的收集速度将所述碳纳米管纤维束收集在卷绕机构上，形成所述碳纳米管弹簧线。
进一步地，所述碳纳米管弹簧线是边加强捻边被收集在筒管上，收集速度为0.5m/min～1m/min，每筒管收集长度五百米以上。
进一步地，所述碳纳米管弹簧线的捻度为2500T/m～4500T/m，根据碳纳米管纤维束的宏观尺寸选择具体捻度。
进一步地，所述碳纳米管弹簧线的线密度为40tex～100tex。
进一步地，所述碳纳米管弹簧线为结构致密良好且长度为五百米以上的连续体。
在一些实施例中，所述制备方法包括：沿长度方向拉伸所述碳纳米管弹簧线，并使所述碳纳米管弹簧线沿水平方向以0.5m/min～5m/min的速度连续进入所述选定间隙。
在一些实施例中，所述制备方法包括：所述碳纳米管弹簧线在设定抽拉卷取速度下水平向前进入加捻辊轴，受加捻辊轴搓动作用而收缩旋转，使得所述碳纳米管弹簧线产生致密和结构优化作用。
在一些实施例中，所述制备方法包括：由短纤维形成的短纤维流在气流带动下沿垂直方向进入所述选定间隙，且短纤维流中相邻短纤维平行排列。
进一步地，所述短纤维经气流带动平行顺直排列的沿着垂直方向进入加捻辊轴之间的选定间隙。
进一步地，相邻所述短纤维轴向分布于所述碳纳米管弹簧线的表面。
进一步地，两个所述加捻辊轴相邻并行排列且同向转动，转动的速度为1000r/min～5000r/min，并且其转动方向和CNT弹簧线的螺旋方向相同，且所述选定间隙的大小不小于所述碳纳米管弹簧线的直径，优选为0.2～0.5mm。
在一些实施例中，所述制备方法还包括：对从所述选定间隙输出的碳纳米管弹性包芯纱进行收集卷绕，其中所述收集卷绕的速度为1m/min～6m/min，但不限于此。
进一步地，所述制备方法还包括：改变抽拉卷取碳纳米管弹性包芯纱的速度以便调节碳纳米管弹簧线外部羊毛纤维等短纤维的含量。抽拉卷取速度快，则短纤维含量少，抽拉卷取速度慢，则短纤维含量多。
在一些实施例中，所述的制备方法还包括：改变加捻辊轴的转动速度来调节短纤维包裹的松紧程度，即改变短纤维和CNT纤维束的结合牢度。
进一步地，所述短纤维包括如羊毛、棉花等天然纤维，也可以包括如涤纶、锦纶等各种化学纤维的短切纤维，但不限于此。
在一些更为具体的实施案例之中，所述制备方法具体包括以下步骤：
步骤1)：将两根及以上碳纳米管单纤维放置在并股机上，沿长度方向同时牵拉该两根以上碳纳米管单纤维，使其从导纱钩内连续通过汇集在一点并合成碳纳米管纤维束，并被连续收集卷绕在筒管上；
步骤2)：将该碳纳米管纤维束放置在加捻设备上，对其加强捻制成连续的碳纳米管弹簧线，并收集在筒管上，每管长度可达五百米以上；
步骤3)：首先将碳纳米管弹簧线(以下简称CNT弹簧线)沿长度方向牵拉后从水平方向引入两个同向转动的加捻辊形成的中心间隙；其次，短纤维经气流带动，在加捻辊正上方平行顺直排列进入两个同向转动的加捻辊形成的中心间隙，并分布在碳纳米管弹簧线表面；加捻辊高速转动，其转动方向和CNT弹簧线的螺旋方向相同，将碳纳米管弹簧线和短纤维同时搓动制成碳纳米管弹簧线和短纤维复合包芯纱，并将复合包芯纱抽拉卷取。
在一些更为具体的实施案例之中，参阅图1所示，以8根碳纳米管纤维、羊毛短纤维集合制成的碳纳米管弹簧线为例，所述制备方法具体包括以下步骤：
(1)集束：单根碳纳米管纤维的线密度为4～5tex，将8根CNT单纤维并排引入导纱钩聚集并合在一起，并牵拉卷绕在筒管上；
(2)加工CNT弹簧线：将集束好的碳纳米管纤维束放置在加捻机上，一边释放，一边加捻，一边卷取，每管可长达五百米以上。
(3)包芯纱：将CNT弹簧线沿着水平方向牵拉引入两个加捻辊轴形成的中心间隙；将质量分数为50％-90％的羊毛散纤维经气流带动从垂直方向定向且平行顺直排列的进入加捻辊轴形成的中心间隙；搓动成纱：两个加捻辊轴同向且高速转动，并且转动方向与弹簧螺旋方向相同。两个加捻辊轴将位于中心位置的CNT弹簧线和羊毛短纤维同时高速搓动，羊毛散纤维将CNT弹簧线完全包覆形成复合包芯纱，并在一定牵引力作用下抽拉卷取。
本发明的制备原理在于：CNT弹簧线通过加捻辊轴逐渐收缩旋转，短纤维随着CNT弹簧线旋转收缩包裹在CNT弹簧线外部。加捻辊轴快速旋转搓动碳纳米管弹簧线使得弹簧线中的每根CNT纤维之间进一步挤压融合，弹簧线中CNT纤维间界面结合力增强，纤维力学均匀性提高，同时也使得短纤维和弹簧线间的结合力增强，纤维强力利用率增强。
本发明实施例的另一个方面还提供了由前述任一种方法制备的宏观且连续的碳纳米管弹性包芯纱，其包括结构良好且长度连续的作为芯体的碳纳米管弹簧线，以及，完全包覆所述芯体的皮层，所述皮层包括短纤维，所述短纤维平行排列地分布于所述碳纳米管弹簧线的表面。
在一些实施例中，所述碳纳米管弹性包芯纱外部短纤维总量可以调节控制，短纤维的含量优选为50％～90％。
进一步地，所述碳纳米管弹性包芯纱的平均强力为2.5CN/tex～4.5CN/tex，平均应变为45％～110％，断裂伸长率为45～50％，在定载荷(断裂载荷的50％)下循环20次的累积疲劳变形量为4～8％。当短纤维为羊毛且含量为60％时，平均应变在45％，当短纤维为羊毛且含量为90％时，平均应变在110％。
在一些实施例中，所述碳纳米管弹性包芯纱的线密度为16tex～1000tex。
其中，所述的碳纳米管弹簧线的直径和线密度根据碳纳米管纤维束中CNT单纤维的线密度和根数而变化。
其中一种单根CNT纤维的外观形貌SEM图可参阅图2a所示，一典型碳纳米管弹簧线的外观形貌SEM图可参阅图2b所示，碳纳米管弹性包芯纱外观形貌SEM可参阅图2c。碳纳米管弹性包芯纱的横截面形貌如图3所示。
进一步地，当碳纳米管弹簧线由8根碳纳米管单纤维并合制成时，其线密度为40tex时，所述碳纳米管弹性包芯纱的线密度为80tex。实际使用的CNT弹簧线中CNT单纤维根数越多和短纤维量越多，弹性包芯纱线密度会越大。
本发明所获的碳纳米管弹性包芯纱，纱线力学增强、弹性增强、断裂伸长率提高、纱线耐疲劳性能提高，CNT和羊毛等短纤维两种材料优势互补。
具体的，(1)CNT纤维间的界面结合力增强：单根CNT纤维的界面之间本身并无化学键的结合，纤维之间独立且分散。纤维束在加捻成弹簧时受到向心挤压力，于是纤维表面由于纳米尺寸效应会发生重组和粘结，界面结合力增强。
(2)CNT弹簧线力学性能提高：弹簧结构使得多根CNT纤维粘合成一个整体，故CNT弹簧线在受外力拉伸时是所有CNT纤维同时且整体受力，会同时断裂，由此也提高了CNT弹簧线的强力。又由于CNT弹簧线受到拉伸时，弹簧会逐渐伸直增加了CNT弹簧线的断裂伸长率。
(3)良好的柔韧性：本发明的CNT弹簧线在提高纱线力学的同时不损失CNT材料的柔韧性。CNT弹簧线的平均应变在40％以上。
(4)包芯纱强力提高：短纤维包裹在CNT纤维束的外层，大部分纤维沿着纱线轴向平行排列，少部分纤维沿着复合纱线径向缠绕，如此相当于在纱线外部有一层固定层，减少短纤维间的滑脱。当包芯纱受力时，会有两个方向承担拉伸力，包芯纱强力提高。
(5)包芯纱断裂伸长率和耐疲劳性能提高：由于使用了碳纳米管弹簧线，在拉伸过程中弹簧结构因受力会被不断拉伸而呈伸直状态，使得纱线整体的断裂伸长率提高；同时也由于CNT的弹簧结构，弹簧的拉伸回复性及CNT材料的柔性，使得纱线的耐疲劳性提高，其测试结果可参阅图4所示。
(6)材料优势互补：如羊毛纤维具有髓腔，故可以储存空气而具有良好的保暖性，同时手感柔软舒适，是非常珍贵的天然纤维，又如高强涤纶短纤维强度高、模量高但二者均不导电，不具有其他功能；而CNT纤维具有高强度、超轻量的力学特性以及特殊的热学、电学性质，因此CNT纤维和其他短纤维结合可以优势互补，成为服用智能织物或纺织品的良好载体和工程用材料。
(7)智能织物：碳纳米管弹性包芯纱因其良好的弹性和耐疲劳性，可以用于弹性织物。由于碳纳米管材料的导电性，可对材料制成织物进行通电加热，材料可以产生热量且羊毛等短纤维可以保持热量。同时碳纳米管材料可以提高复合材料的电磁屏蔽性能，可用于制作电磁屏蔽产品。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述任一种碳纳米管弹性包芯纱于智能织物、弹性织物或电磁屏蔽产品等领域中的用途。
本发明实施例的另一个方面还提供了应用于前述方法的一种碳纳米管弹性包芯纱的制备系统，如图1所示，其包括：
碳纳米管弹簧线制备单元，其至少用以形成碳纳米管弹簧线，包括并股机、导纱钩、加捻辊轴以及卷绕机构；
两个并排设置的加捻辊轴，且两个所述加捻辊轴之间具有至少供所述碳纳米管弹簧线通过的选定间隙。
以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。
实施例1
以4根直径为50μm的碳纳米管(CNT)单纤维和羊毛短纤维为实施例：将4根CNT单纤维同时牵拉引入导纱钩并连续通过汇集在一点并合成碳纳米管纤维束，并以10m/min的速度收集；将该碳纳米管纤维束放置在加捻设备上，对其施加2500T/m制成连续的碳纳米管弹簧，以0.5m/min连续收集在筒管上，每管长度500米。将CNT弹簧线以0.5m/min的速度从水平方向引入两个同向转动的加捻辊轴形成的中心间隙，加捻辊轴转动的速度为1000r/min，将质量分数为50％的羊毛散纤维经加捻辊轴高速转动包裹在CNT弹簧线外部形成一根复合纱线，最后进行收集卷绕，其中所述收集卷绕的速度为1m/min。
本实施例得到的CNT弹簧线的线密度约为20tex，包芯纱线的密度为40tex，断裂载荷可以达到1.5N～2N，拉伸应变在40％～50％。
实施例2
以8根直径为70μm的碳纳米管(CNT)单纤维和羊毛短纤维为实施例：将8根CNT单纤维同时牵拉引入导纱钩并连续通过汇集在一点并合成碳纳米管纤维束，并以30m/min的速度收集；将该碳纳米管纤维束放置在加捻设备上，对其施加3000T/m制成连续的碳纳米管弹簧，以1m/min连续收集在筒管上，每管长度800米。将CNT弹簧线以2m/min的速度从水平方向引入两个同向转动的加捻辊轴形成的中心间隙，加捻辊轴转动的速度为3000r/min，将质量分数为50％的羊毛散纤维经加捻辊轴高速转动包裹在CNT弹簧线外部形成一根复合纱线，最后进行收集卷绕，其中所述收集卷绕的速度为3m/min。
本实施例得到的CNT弹簧线的线密度约为40tex，包芯纱线的密度为80tex，载荷可以达到3.5N～4N，拉伸应变在45％～50％,2.5N定载荷下循环拉伸20次后累积疲劳变形为4％-5％。
实施例3
以8根直径为60μm的碳纳米管(CNT)单纤维为实施例：将8根CNT单纤维同时牵拉引入导纱钩并连续通过汇集在一点并合成碳纳米管纤维束，并以50m/min的速度收集；将该碳纳米管纤维束放置在加捻设备上，对其施加3000T/m制成连续的碳纳米管弹簧，以0.8m/min连续收集在筒管上，每管长度1000米。CNT弹簧线以5m/min的速度从水平方向引入两个同向转动的加捻辊轴形成的中心间隙，加捻辊轴转动的速度为5000r/min，将质量分数为90％的羊毛散纤维经加捻辊轴高速转动包裹在CNT纤维束外部形成一根复合纱线，最后进行收集卷绕，其中所述收集卷绕的速度为6m/min。
本实施例得到的CNT弹性包芯纱线的线密度为350tex，载荷可以达到12N～14N，拉伸应变在110％～120％，2.5N定载荷下循环拉伸20次后累积疲劳变形为6％-8％。
此外，本案发明人还参照实施例1-实施例3的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了具有良好的力学强度，纱线断裂伸长率提高，耐疲劳性能提高，同时碳纳米管纤维和短纤维实现功能互补的碳纳米管弹性包芯纱。
综上所述，通过测试可以发现，本发明通过加捻辊轴搓动的方式将羊毛散纤维包裹在CNT弹簧线外部，制得了CVD法制备的碳纳米管纤维和天然纤维复合的包芯纱。所制备纱线由于CNT弹簧结构使得纱线断裂伸长率提高、纱线耐疲劳性提高；纱线中羊毛纤维多方向分布提高了纱线强力，且两种材料优势互补，得到一种新型可用于智能纺织品的功能性纱线。
应当理解，以上所述的仅是本发明的一些实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (23)

1.一种碳纳米管弹性包芯纱的制备方法，其特征在于包括：
提供碳纳米管弹簧线，其具有螺旋结构；
提供两个同向转动的加捻辊轴，且两个所述加捻辊轴之间具有选定间隙，其中所述加捻辊轴的转动方向与所述碳纳米管弹簧线的螺旋结构的螺旋方向相同；
沿长度方向拉伸所述碳纳米管弹簧线，并使所述碳纳米管弹簧线连续进入所述选定间隙，同时使由短纤维形成的短纤维流进入所述选定间隙且分布于所述碳纳米管弹簧线的表面，形成碳纳米管弹性包芯纱。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管弹簧线的行进方向与所述短纤维的行进方向相互垂直。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：
沿长度方向牵拉两根以上碳纳米管单纤维，并使该两根以上碳纳米管单纤维在导纱钩的作用下合成碳纳米管纤维束；
对所述碳纳米管纤维束进行加捻处理，同时采用卷绕机构收集，形成所述碳纳米管弹簧线。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于具体包括：将两根以上碳纳米管单纤维并排置于并股机上，并通过导纱钩集束形成所述碳纳米管纤维束，之后进行收集卷绕。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：单根所述碳纳米管纤维的直径为50μm～70μm；所述碳纳米管单纤维由气相浮动法制备形成。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：单根所述碳纳米管纤维的线密度为4～5tex；和/或，所述碳纳米管纤维束的线密度为8～100tex。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：对所述碳纳米管纤维束进行收集卷绕的速度为10m/min～50m/min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管纤维束中单根所述碳纳米管纤维的根数为4～20根。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于具体包括：以0.5m/min～1m/min的收集速度将所述碳纳米管纤维束收集在卷绕机构上，形成所述碳纳米管弹簧线。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管弹簧线的长度在500米以上。
11.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管弹簧线的捻度为2500T/m～4500T/m。
12.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管弹簧线的线密度为40tex～100tex。
13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：沿长度方向拉伸所述碳纳米管弹簧线，并使所述碳纳米管弹簧线沿水平方向以0.5m/min～5m/min的速度连续进入所述选定间隙。
14.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：由短纤维形成的短纤维流在气流带动下沿垂直方向进入所述选定间隙，且短纤维流中相邻短纤维平行排列。
15.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：相邻所述短纤维轴向分布于所述碳纳米管弹簧线的表面。
16.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：两个所述加捻辊轴并行排列，且所述选定间隙的大小不小于所述碳纳米管弹簧线的直径，优选为0.2～0.5mm。
17.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于还包括：对从所述选定间隙输出的碳纳米管弹性包芯纱进行收集卷绕，其中所述收集卷绕的速度为1m/min～6m/min；和/或，两个所述加捻辊轴转动的速度为1000r/min～5000r/min。
18.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述短纤维包括天然纤维和/或化学纤维的短切纤维；优选的，所述天然纤维包括羊毛或棉花，优选的，所述化学纤维包括涤纶或锦纶。
19.由权利要求1-18中任一项所述方法制备的碳纳米管弹性包芯纱，其包括作为芯体的碳纳米管弹簧线，以及，完全包覆所述芯体的皮层，所述皮层包括短纤维，所述短纤维平行排列地分布于所述碳纳米管弹簧线的表面。
20.根据权利要求19所述的碳纳米管弹性包芯纱，其特征在于：所述碳纳米管弹性包芯纱中短纤维的含量为50％～90％。
21.根据权利要求19所述的碳纳米管弹性包芯纱，其特征在于：所述碳纳米管弹性包芯纱的线密度为16tex～1000tex。
22.根据权利要求19所述的碳纳米管弹性包芯纱，其特征在于：所述碳纳米管弹性包芯纱的平均强力为2.5CN/tex～4.5CN/tex，平均应变为45％～110％，在断裂载荷的50％下循环20次的累积疲劳变形量为4～8％。
23.权利要求19-22中任一项所述的碳纳米管弹性包芯纱于智能织物、弹性织物或电磁屏蔽产品领域中的用途。
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