CN115127463B - 一种基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置，包括：纺丝执行机构、电源控制机构、观测机构；纺丝执行机构包括直线导轨(1)、固定支座(2)、牵引马达(3)、牵引线(4)、加捻马达(5)、碳纳米管阵列(6)、滴管(7)、碳纳米管束(8)、刀片(9)；电源控制机构包括直流无极调速器(10)、无级变速控制盒(11)；观测机构包括：显微镜(12)、支座(13)、电脑(14)。纺丝装置组装好后整体安装在光学平台上使用。所述装置设计原理简单，易于实现；该装置可制备不同长度、不同捻角的碳纳米管纤维。该装置配备有显微镜，可以在加捻的同时实时测量纤维直径、加捻的角度等参数。结构简单，易于搭建，使用和维修保养方便。

Description

一种基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置
技术领域
本发明属于碳纳米管纤维纺丝设备技术领域，具体涉及一种基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置。
背景技术
碳纳米管作为一种新型碳基轻质材料，其力学、电学、热学和光学等性能优越。可以用于制作人工肌肉、超导材料、航空航天器的散热涂层等。然而，单根碳纳米管的尺寸通常为纳米尺度，难以直接将单根的碳纳米管应用到工程实践中去。因此，提出合理的方法将纳米尺度的单根碳纳米管制备成尺度更大的材料，进而继承碳纳米管卓越的纳米特性，这种碳纳米管宏观化的过程对其工程应用具有重要的意义。
现存的制备宏观碳纳米管纤维的方法制出的纤维大多存在催化杂质多、内部松散、取向性差、难以继承单根碳纳米管的各项优异性能的问题；同时，如何控制纺丝过程的角度也难以原位观测，这影响了碳纳米管纤维的设计与装备。因此，开发具备原位观测功能的碳纳米管阵列纺丝纤维设备显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了将化学气相沉积法制成的碳纳米管阵列加捻制成长纤维，提供了一种用于碳纳米管阵列进行纺丝的机械装置，并具有原位实时观测的能力。本发明基于化学气相沉积法制备碳纳米管阵列技术，结合纺丝设备，可以制备出内部结构致密、取向性好和捻角可调的碳纳米管纤维；其特点在于：该装置可制备不同长度和捻角的碳纳米管纤维；该装置配备有高倍光学显微镜，同时与电脑相连接，可以在加捻时原位检测微观纤维的加捻角度，以制备出固定捻角的纤维；装置结构简单，易于搭建，使用和维修保养方便。
本发明使用了高质量的、对齐度良好的碳纳米管阵列，设计了碳纳米管阵列的纺丝设备。与此同时，该设备配备了高倍光学显微镜，使得纤维的捻角以及界面参数可以原位观测，精确调节，具有结构简单，易于搭建，使用和维修保养方便等优点。基于此，本发明实现了用碳纳米管阵列纺出不同长度和不同捻角的宏观碳纳米管纤维。
本发明为了实现上述的发明目的，采用如下的技术方案：
一种基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置，所述基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维装置包括纺丝执行机构、电源控制机构、观测机构；
所述纺丝执行机构包括直线导轨(1)、固定支座(2)、牵引马达(3)、牵引线(4)、加捻马达(5)、碳纳米管阵列(6)、滴管(7)、碳纳米管束(8)和刀片(9)；
牵引马达(3)与牵引线(4)相连，牵引线(4)再与加捻马达(5)相连；加捻马达(5)安装在直线导轨(1)上；碳纳米管阵列(6)粘接在固定支座(2)上；用刀片(9)从碳纳米管阵列(6)上剥离出的碳纳米管束(8)一端与碳纳米管阵列(6)相连，另一端与加捻马达(5)相连；
电源控制机构包括直流无极调速器(10)和无级变速控制盒(11)，直流无极调速器(10)可以接入220V交流电后输出直流电；无级变速控制盒(11)能够改变直流无极调速器(10)的输出电压大小，直流无极调速器(10)直接接入220V交流电源，直流无极调速器(10)的直流输出端通过导线与无级变速控制盒(11)的输入端连接，无级变速控制盒(11)的输出端通过导线与牵引马达(3)、加捻马达(5)相连供电；并以无级变速控制盒(11)输出的电压大小来改变牵引马达(3)和加捻马达(5)的运行速度。
观测机构包括显微镜(12)、支座(13)、电脑(14)，显微镜(12)安装在支座(13)上，放置在碳纳米管束(8)的正上方，显微镜(12)工作时可以将图像实时传输到电脑(14)内。
直线导轨(1)的长度为400mm，安装方向平行于x轴。
固定支座(2)为一个左侧带有一个伸出平台的三轴精密位移微调平台，固定支座(2)上的伸出平台三轴可调，每个轴的可调节范围为12.5mm，调节精度为40μm。
牵引马达(3)最快转速为10r/min，牵引线(4)左端系在牵引马达(3)的转轴上。
加捻马达(5)的旋转轴上装有一伸出平台，加捻马达(5)最快转速为172r/min，牵引线(4)的右端与加捻马达(5)的左端相连；加捻马达(5)安装在直线导轨上，可以沿直线导轨(1)滑动；当牵引马达(3)逆时针转动时，可以将牵引线(4)向左拉伸缠绕，加捻马达(5)同时沿直线导轨(1)向左移动。
碳纳米管阵列(6)由化学气相沉积法生成。
滴管(7)中为无水乙醇。
刀片(9)的厚度为0.3mm。
直流无极调速器(10)可以输出9-60V的电压、20A的电流。
无级变速控制盒(11)可以改变直流无极调速器(10)输出的电压大小。
显微镜(12)的放大倍数为1600倍，显微镜(12)上有一块电子显示屏，同时显微镜(12)可以将观测到的图像实时传输到电脑(14)上。
支座(13)用于装载显微镜(12)，支座(13)的高低可调，用于辅助显微镜(12)对焦。
具体工作原理如下：
在实验开始前需要完成碳纳米管阵列(6)的制备，碳纳米管阵列(6)由化学气相沉积法制得。实验开始前，将碳纳米管阵列(6)用双面胶粘接在固定支座(2)的伸出平台上，通过调节固定支座(2)的三轴旋钮使得碳纳米管阵列的高度与加捻马达(5)旋转轴的高度相同。
将碳纳米管阵列(6)粘在固定支座(2)上后，用刀片(9)在碳纳米管阵列(6)上通过范德华力剥离出部分碳纳米管束(8)，缓慢将刀片(9)向外拉。先被拉出的碳纳米管束(8)由于和碳纳米管阵列(6)上的其他碳纳米管之间存在范德华力的作用，因此碳纳米管会不断地被拉出，形成一块呈“纱布”状首尾相连的碳纳米管束(8)。
将刀片(9)上的碳纳米管束(8)粘接在加捻马达(5)的旋转轴上，开启牵引马达(3)，通过无级变速控制盒(11)控制牵引马达(3)的速度和转动方向；牵引马达(3)通过转动拉动牵引线(4)，再拉动加捻马达(5)，继续在碳纳米管阵列(6)上拉出更多碳纳米管；通过无级变速控制盒(11)控制加捻马达(5)的速度和转动方向，可以将“纱布”状的碳纳米管束(8)捻成具有一定捻角的碳纳米管纤维。同时通过滴管(7)向纤维上滴入无水乙醇，可以通过无水乙醇挥发所产生的毛细作用力使得纤维更加致密。
调节显微镜(12)的放大倍数，同时调节支座(13)的高度，使得可以在显微镜(12)的显示器中清晰地看到加捻后纤维的外观形貌。将显微镜(12)的图像同步到电脑(14)上，通过电脑(14)对纤维的直径、捻角进行测量。
通过控制牵引马达(3)的运行时间和速度，可以控制碳纳米管纤维的长度；通过控制加捻马达(5)运行的时间和速度，可以控制碳纳米管纤维的捻角。
本发明有如下优点：
(1)设计原理简单，易于实现；
(2)采用化学气相沉积法得到的碳纳米管阵列进行纺丝，纺出来的纤维中催化杂质少、内部致密、取向性好，纺出的纤维各项性能都更加优越；
(3)配备了显微镜与电脑，可以实时观测纤维的直径、捻角等参数，使得纺丝过程可以原位观测。
下面通过实施例及其附图作进一步描述。
附图说明
图1为本发明设计的基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置结构图；
图2为用刀片从碳纳米管阵列上剥离出碳纳米管束示意图；
图3为本发明设计的基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置电路示意图。
图中：1-直线导轨；2-固定支座；3-牵引马达；4-牵引线；5-加捻马达；6-碳纳米管阵列；7-滴管；8-碳纳米管束；9-刀片；10-直流无极调速器；11-无级变速控制盒；12-显微镜；13-支座；14-电脑。
具体实施方式
下面结合附图1-3及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1
图1为本发明的一种基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置结构图。图2为用刀片从碳纳米管阵列上剥离出碳纳米管束示意图。图3为本发明设计的基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置电路示意图。如图1-3所示，本发明提出的一种基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置，包括直线导轨1、固定支座2、牵引马达3、牵引线4、加捻马达5、碳纳米管阵列6、滴管7、碳纳米管束8、刀片9、直流无极调速器10、无级变速控制盒11、显微镜12、支座13和电脑14。直线导轨1、固定支座2、牵引马达3固定在光学平台上；牵引马达3与牵引线4相连，牵引线4再与加捻马达5相连；加捻马达5安装在直线导轨1上；碳纳米管阵列6粘接在固定支座2上；用刀片9从碳纳米管阵列6上剥离出的碳纳米管束8一端与碳纳米管阵列6相连，另一端与加捻马达5相连；滴管7放置在碳纳米管束8的正上方。直流无极调速器10的输入端接入220V交流电，直流输出端通过导线与无级变速控制盒11的输入端连接，无级变速控制盒11的输出端通过导线与牵引马达3、加捻马达5相连供电；并以无级变速控制盒11输出的电压大小来改变牵引马达3和加捻马达5的运行速度和方向。显微镜12安装在支座13上，放置在碳纳米管束8的正上方，显微镜12工作时可以将图像实时传输到电脑14上，电脑14可用于观测纤维直径、加捻的角度等参数。
所述基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置包括纺丝执行机构、电源控制机构和观测机构。
所述纺丝执行机构包括直线导轨1、固定支座2、牵引马达3、牵引线4、加捻马达5、碳纳米管阵列6、滴管7、碳纳米管束8和刀片9。所述纺丝执行机构沿X主轴方向为纺丝设备，所述纺丝设备主要包括牵引马达3、牵引线4、加捻马达5、碳纳米管束8、碳纳米管阵列6和固定支座2。
直线导轨1采用滑块式直线导轨，长度为400mm。直线导轨1的安装方向平行于x轴。
固定支座2为一个左侧带有一个伸出平台的三轴精密位移微调平台(汇科LDV80-L-C2)，固定支座2三轴可调，单轴可调范围为12.5mm，调节精度为40μm。
牵引马达3(正科ZGB37RG-ZYDT-520偏心轴马达)转速可调，最快转速为10r/min。牵引线4左端系在牵引马达3的转轴上。
加捻马达5(马步崎M24GXR24ZYT30直流行星减速电机)转速可调，最快转速为172r/min。加捻马达5的旋转轴上装有一伸出平台，牵引线4的右端与加捻马达5的左端相连；加捻马达5安装在直线导轨1上，可以沿直线导轨1滑动；当牵引马达3逆时针转动时，可以将牵引线4向左拉伸缠绕，加捻马达5同时沿直线导轨1向左移动。
碳纳米管阵列6为化学气相沉积法制得。滴管7中为无水乙醇。刀片9的厚度为0.3mm。
电源控制机构包括直流无极调速器10和无级变速控制盒11。直流无极调速器10可以输出9-60V的电压、20A的电流。无级变速控制盒11可以改变直流无极调速器10输出的电压和电流大小，再为牵引马达3与加捻马达5供电。
观测机构包括显微镜12、支座13和电脑14。显微镜12的放大倍数为1600倍，显微镜12上有一块电子显示屏，同时显微镜12可以将观测到的图像实时传输到电脑14上。支座13用于安装显微镜12，支座13的高低可调，用于辅助显微镜12对焦。
本发明的所述纺丝执行机构为以牵引马达3和加捻马达5为主的纺丝装置，电源控制机构由直流无极调速器10、无级变速控制盒11组成；观测机构由显微镜12、支座13、电脑14组成。
固定支座2的伸出平台用于粘接碳纳米管阵列，加捻马达5的伸出平台用于粘接碳纳米管束8。直流无极调速器10的输出电压由无级变速控制盒11控制，通过调节直流无极调速器10的输出电压大小来改变牵引马达3和加捻马达5的运行速度。
本发明的基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置的使用过程如下：
在实验开始前需要完成碳纳米管阵列6的制备，将碳纳米管阵列6用双面胶粘接在固定支座2左侧的伸出平台上。用一块厚度为0.3mm的刀片9在碳纳米管阵列6上通过范德华力剥离出部分碳纳米管束8，缓慢将刀片9向外拉。先被拉出的碳纳米管束8由于和碳纳米管阵列6上的其他碳纳米管之间存在范德华力的作用，因此碳纳米管会不断地被拉出，形成一块呈“纱布”状首尾相连的碳纳米管束8。
将刀片9上的碳纳米管束8粘接在加捻马达5的伸出平台上，开启牵引马达3，通过无级变速控制盒11控制牵引马达3的速度和转动方向；牵引马达3通过转动拉动牵引线4，再拉动加捻马达5，继续在碳纳米管阵列6上拉出更多碳纳米管；然后旋转加捻马达5，可以将“纱布”状的碳纳米管束8捻成具有一定捻角的碳纳米管纤维。同时通过滴管7向纤维上滴入无水乙醇，通过无水乙醇挥发所产生的毛细作用力使得纤维更加致密。
调节显微镜12的放大倍数，同时调节支座13的高度，使得可以在显微镜12的显示器中清晰地看到加捻后纤维的外观形貌。将显微镜12的图像同步到电脑14上，通过电脑14对纤维的直径、捻角等参数进行测量。
通过控制牵引马达3的运行时间和速度，可以控制碳纳米管纤维的长度；通过控制加捻马达5运行的时间和速度，可以控制碳纳米管纤维的捻角。
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置，其特征在于，所述基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置包括纺丝执行机构、电源控制机构和观测机构；
所述纺丝执行机构包括直线导轨（1）、固定支座（2）、牵引马达（3）、牵引线（4）、加捻马达（5）、碳纳米管阵列（6）、滴管（7）、碳纳米管束（8）和刀片（9）；牵引马达（3）与牵引线（4）相连，牵引线（4）再与加捻马达（5）相连；加捻马达（5）安装在直线导轨（1）上；碳纳米管阵列（6）粘接在固定支座（2）上；用刀片（9）从碳纳米管阵列（6）上剥离出的碳纳米管束（8）一端与碳纳米管阵列（6）相连，另一端与加捻马达（5）相连；滴管（7）放置在碳纳米管束（8）的正上方；
电源控制机构包括直流无极调速器（10）和无级变速控制盒（11），直流无极调速器（10）可以接入220V交流电后输出直流电；无级变速控制盒（11）能够改变直流无极调速器（10）的输出电压大小，直流无极调速器（10）直接接入220V交流电源，直流无极调速器（10）的直流输出端通过导线与无级变速控制盒（11）的输入端连接，无级变速控制盒（11）的输出端通过导线与牵引马达（3）、加捻马达（5）相连供电；并以无级变速控制盒（11）输出的电压大小来改变牵引马达（3）和加捻马达（5）的运行速度；
观测机构包括显微镜（12）、支座（13）和电脑（14），显微镜（12）安装在支座（13）上，放置在碳纳米管束（8）的正上方，显微镜（12）工作时可以将图像实时传输到电脑（14）上；
电脑（14）用于观测纤维直径和加捻的角度；
直线导轨（1）的长度为400mm，安装方向平行于x轴；所述纺丝执行机构沿X主轴方向为纺丝设备，所述纺丝设备包括牵引马达（3）、牵引线（4）、加捻马达（5）、碳纳米管束（8）、碳纳米管阵列（6）和固定支座（2）；
固定支座（2）为一个左侧带有一个伸出平台的三轴精密位移微调平台，固定支座（2）上的伸出平台三轴可调，每个轴的可调节范围为12.5mm，调节精度为40μm；
牵引马达（3）最快转速为10r/min，牵引线（4）左端系在牵引马达（3）的转轴上；
加捻马达（5）的旋转轴上装有一伸出平台，加捻马达（5）最快转速为172r/min，牵引线（4）的右端与加捻马达（5）的左端相连；加捻马达（5）安装在直线导轨（1）上，可以沿直线导轨（1）滑动；当牵引马达（3）逆时针转动时，可以将牵引线（4）向左拉伸缠绕，加捻马达（5）同时沿直线导轨（1）向左移动；
碳纳米管阵列（6）由化学气相沉积法生成；
滴管（7）中为无水乙醇；
所述基于原位观测的碳纳米管阵列纺丝纤维的装置工作原理如下：在实验开始前需要完成碳纳米管阵列（6）的制备，碳纳米管阵列（6）由化学气相沉积法制得；实验开始前，将碳纳米管阵列（6）用双面胶粘接在固定支座（2）的伸出平台上，通过调节固定支座（2）的三轴旋钮使得碳纳米管阵列的高度与加捻马达（5）旋转轴的高度相同；
将碳纳米管阵列（6）粘在固定支座（2）上后，用刀片（9）在碳纳米管阵列（6）上通过范德华力剥离出部分碳纳米管束（8），缓慢将刀片（9）向外拉；先被拉出的碳纳米管束（8）由于和碳纳米管阵列（6）上的其他碳纳米管之间存在范德华力的作用，因此碳纳米管会不断地被拉出，形成一块呈“纱布”状首尾相连的碳纳米管束（8）；
将刀片（9）上的碳纳米管束（8）粘接在加捻马达（5）的旋转轴上，开启牵引马达（3），通过无级变速控制盒（11）控制牵引马达（3）的速度和转动方向；牵引马达（3）通过转动拉动牵引线（4），再拉动加捻马达（5），继续在碳纳米管阵列（6）上拉出更多碳纳米管；通过无级变速控制盒（11）控制加捻马达（5）的速度和转动方向，可以将“纱布”状的碳纳米管束（8）捻成具有一定捻角的碳纳米管纤维；同时通过滴管（7）向纤维上滴入无水乙醇，可以通过无水乙醇挥发所产生的毛细作用力使得纤维更加致密；调节显微镜（12）的放大倍数，同时调节支座（13）的高度，使得可以在显微镜（12）的显示器中清晰地看到加捻后纤维的外观形貌；将显微镜（12）的图像同步到电脑（14）上，通过电脑（14）对纤维的直径、捻角进行测量；通过控制牵引马达（3）的运行时间和速度，可以控制碳纳米管纤维的长度；通过控制加捻马达（5）运行的时间和速度，可以控制碳纳米管纤维的捻角。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，刀片（9）的厚度为0.3mm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，直流无极调速器（10）可以输出9-60V的电压、20A的电流。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，无级变速控制盒（11）可以改变直流无极调速器（10）输出的电压和电流大小；显微镜放大倍数为1600倍，显微镜（12）上有一块电子显示屏，同时显微镜（12）可以将观测到的图像实时传输到电脑（14）上；
支座（13）用于装载显微镜（12），支座（13）的高低可调，用于辅助显微镜（12）对焦。
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