CN204401194U - 碳纳米管纺纱机 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种碳纳米管纺纱机，该纺纱机包括：收容装置，用于收容碳纳米管阵列；牵伸系统，用于从所述收容装置中的碳纳米管阵列中抽出碳纳米管薄膜；凹槽集束导纱装置，设置在所述收容装置和牵伸系统之间，用于使位于所述收容装置与所述凹槽集束导纱装置之间的碳纳米管薄膜聚集成束以形成碳纳米管纱线；加捻收集系统，用于缠绕所述碳纳米管纱线。本实用新型提供的碳纳米管纺纱机通过设置凹槽集束导纱装置，使得收容装置中的碳纳米管阵列抽出的碳纳米管薄膜可以较佳地集束成型，确保了碳纳米管纱线稳定连续的生产，可以连续大批量得到长纤维长度的碳纳米管纱线。

Description

碳纳米管纺纱机

技术领域

本实用新型属于微纳米领域，具体涉及一种碳纳米管纺纱机。

背景技术

碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，具有完美的碳六边形连接结构，具有高强度，超轻量的力学特性以及独特的石墨层结构形成的特殊电学性质，其独特的力学性质和特殊电学性质一直深受国内外科学工作者的关注。如今，轻质高强的材料技术已经在某种程度上成为衡量国家工业水平的主要标志之一，所以碳纳米管材料独特的轻质高强特性注定要成为研究轻量材料主要方向之一，另外，与碳纤维相比，碳纳米管的形成过程简单，节能，无毒低污染，曾被誉为：“将是价格便宜、环境友好并为人类创造奇迹的材料”。从宏观角度讲，需要将微观的碳纳米管束组装成宏观的碳纳米管纱线，才能在更多领域充分发挥碳纳米管的性能，故而碳纳米管纱线也就成为研究热点之一。

目前常用的碳纳米管纱线制备的方法主要有如下的三种：

直接纺丝法，该方法是在高温气相反应合成连续碳纳米管的过程中直接通过加捻制备碳纳米管纱线，利用该工艺目前已经可以得到公斤级碳纳米管纱线，不过由此方法得到纱线表面缺陷较多，杂质偏高，碳纳米管束在纱线内部呈杂乱无章状排列，纱线强度偏低。

溶液纺丝法，该方法是从碳纳米管分散液中纺出连续碳纳米管纱线的方法。其原理之一是将分散有碳纳米管的溶液注入至另一凝固浴溶液中，利用凝固浴和分散剂的置换，形成连续碳纳米管与凝固浴溶液成分的复合纤维纱线。此种方法得到碳纳米管纱线碳纳米管含量低，力学性能不稳定。

碳管阵列纺丝法，该方法从碳纳米管阵列中抽出一定宽度的碳纳米管薄膜，然后通过加捻技术捻成碳纳米管纱线。此种方法制得的碳纳米管纱线，其实际可应用的连续稳定的碳纳米管纱线力学强度相对前两种较高，但是目前还没有有效手段可以连续大批量制得，限制了其工业生产运用。

因此，迫切需要开发一种连续制备碳纳米管纱线的装置，可以在保证优良力学性能的同时，连续大批量制得具有长纤维长度的碳纳米管纱线。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种碳纳米管纺纱机，其可以连续制得力学强度优良的碳纳米管纱线。

为实现上述实用新型目的，本实用新型提供一种碳纳米管纺纱机，该纺纱机包括：

收容装置，用于收容碳纳米管阵列；

牵伸系统，用于从所述收容装置中的碳纳米管阵列中抽出碳纳米管薄膜；

凹槽集束导纱装置，设置在所述收容装置和牵伸系统之间，用于使位于所述收容装置与所述凹槽集束导纱装置之间的碳纳米管薄膜聚集成束以形成碳纳米管纱线；

加捻收集系统，用于缠绕所述碳纳米管纱线。

作为本实用新型的进一步改进，所述凹槽集束导纱装置包括凹槽集束器和凹槽导纱器，所述凹槽集束器和凹槽导纱器上分别设置有V槽状导纱口。

作为本实用新型的进一步改进，所述收容装置可转动设置。

作为本实用新型的进一步改进，所述收容装置的转动角度范围为10°~90°。

作为本实用新型的进一步改进，所述牵伸系统包括成对设置的输出罗拉及输出压辊。

作为本实用新型的进一步改进，所述输出罗拉和输出压辊可被控制地彼此分离或贴合。

作为本实用新型的进一步改进，所述加捻收集系统包括钢领、钢丝钩及环锭。

作为本实用新型的进一步改进，所述加捻收集系统还用于对碳纳米管纱线加捻。

作为本实用新型的进一步改进，所述碳纳米管薄膜经过所述凹槽集束导纱装置后形成的碳纳米管纱线的强力大于牵伸系统从碳纳米管阵列中抽出碳纳米管薄膜所需的力。

作为本实用新型的进一步改进，所述碳纳米管薄膜经过所述凹槽集束导纱装置后形成的碳纳米管纱线的直径大于等于5微米。

与现有技术相比，本实用新型提供的碳纳米管纺纱机通过设置凹槽集束导纱装置，使得收容装置中的碳纳米管阵列抽出的碳纳米管薄膜可以较佳地集束成型，确保了碳纳米管纱线稳定连续的生产，可以连续大批量得到长纤维长度的碳纳米管纱线。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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实用新型的一种实施方式，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它的附图。

图1是本实用新型碳纳米管纺纱机一具体实施方式中的结构示意图；

图2是本实用新型碳纳米管纺纱机一具体实施方式中输出罗拉和输出压辊的配合示意图；

图3是由多个图1所示的碳纳米管纺纱机组成的集成碳纳米管纺纱机。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限制本实用新型，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实用新型的保护范围内。

参图1，介绍本实用新型碳纳米管纺纱机100的一具体实施方式。在本实施方式中，该碳纳米管纺纱机100包括收容装置10、牵伸系统13、凹槽集束导纱装置11、以及加捻收集系统16。

收容装置10用于放置碳纳米管阵列20，本实施方式中，碳纳米管薄膜22是由碳纳米管阵列20中直接抽出，具有高取向等特点。碳纳米管薄膜22的宽度可以根据需要得到碳纳米管纱线21的粗细自由控制，并且可以采用三维升降台（图中未示）精确控制收容装置10的位置，进而控制碳纳米管阵列20的位置。作为优选的实施方式，在本实施方式中，该收容装置10为可转动设置，其转动角度范围为10°~90°，如此，在碳纳米管薄膜22被抽出时，其和收容装置10之间可以根据需要被控制在夹呈一定的角度范围，使得碳纳米管薄膜22更易被抽出，保证后续纺纱过程的顺利。

凹槽集束导纱装置11设置在收容装置10和牵伸系统13之间，用于使位于所述收容装置10与所述凹槽集束导纱装置11之间的碳纳米管薄膜22聚集成束以形成碳纳米管纱线21。在本实施方式中，该凹槽集束导纱装置11包括凹槽集束器111和凹槽导纱器112，且凹槽集束器111和凹槽导纱器112上分别设置有V槽状导纱口1111、1121。凹槽集束器111用于使被抽出的碳纳米管薄膜22聚集成束，形成具有初步形貌的碳纳米管纱线，接着，通过凹槽导纱器112的二次集束，使得碳纳米管纱线21力学性能增强。在本实施方式中，凹槽集束器111和凹槽导纱器112上的V槽状导纱口1111、1121的槽口方向相反，以保证对碳纳米管纱线21更好的引导和集束作用。当然，在替换的实施方式中，凹槽集束器111和凹槽导纱器112上的V槽状导纱口1111、1121的槽口方向也可以设置为相同，此种变换的实施方式仍应当属于本申请的保护范围之内。并且，凹槽导纱器112的位置相对可调，如此，可以通过该凹槽导纱器112引导碳纳米管纱线21的方向，有利于纺纱机整体的结构设计。

特别地，碳纳米管薄膜22经过凹槽集束导纱装置11后形成的碳纳米管纱线21的强力大于牵伸系统13从碳纳米管阵列20中抽出碳纳米管薄膜22所需的力。这样就可以保证碳纳米管薄膜22可以不断地从碳纳米管阵列20中被抽出，保证了生产的连续性和稳定性。并且，碳纳米管薄膜22经过凹槽集束导纱装置11后形成的碳纳米管纱线21的直径大于等于5微米。当然，可以理解的是，在一些实施方式中，该碳纳米管纺纱机100中还可以例如设置有浸润装置（图中未示），浸润装置通过对被抽出的碳纳米管薄膜22进行液滴浸润，可以使碳纳米管薄膜22产生一定的预收缩的作用，使其更易变为一维线状的碳纳米管纱线21。示范性地，本实施例中液滴浸润采用的是可以收缩改性碳纳米管的液体，如水、乙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等试剂，或者无机盐、聚合物溶液，所述液滴浸润过程可由注射泵精确控制，实现液滴浸润的稳定性和连续性。

配合参图2，牵伸系统13用于将碳纳米管薄膜22从碳纳米管阵列20中抽出，所述的牵伸系统13包括成对设置的输出罗拉132及输出压辊131，输出压辊131呈中间凸出状，这样输出罗拉132和输出压辊131配合时可以产生足够大的牵引力。导纱钩14用于引导碳纳米管纱线21。加捻收集系统16包括钢领162、钢丝钩161及环锭163；钢丝钩161在碳纳米管纱线21的牵引下，绕钢领162做圆周轨道运动，将碳纳米管纱线21不断地缠绕至环锭163上的纱筒15上，并且钢领162可以沿竖直轴向做升降运动，用于调整缠绕在纱筒15上的碳纳米管纱线21的成型距离、成型锥度等缠绕状态，同时环锭163还对碳纳米管纱线21进行加捻，以制得最终成品。由于碳纳米管纱线21非常细，所以导纱钩14质量为微克级，并且纱筒卷装碳纳米管纱线21的卷装量控制在0~10g。

作为优选的实施方式，输出罗拉132和输出压辊131可被控制地彼此分离或贴合，这样，纺纱开始时被抽出的碳纳米管纱线21可以穿过分离的输出罗拉132和输出压辊131，从而被接到加捻收集系统16之上，避免了强行将碳纳米管纱线21拖入彼此贴合的输出罗拉132和输出压辊131之间时可能造成的碳纳米管纱线21的断离。在一示范的实施方式中，输出罗拉132和输出压辊131中的任一可以连接至弹簧牵引装置，以实现输出罗拉132和输出压辊131之间的彼此分离或贴合动作。

在上述的实施方式中，是由集成动力系统驱动所述碳纳米管纺纱机100的各个部件，如加捻收集系统16，输出罗拉132等。本实用新型的碳纳米管纺纱机100可以用于生产直径大于等于5微米的碳纳米管纱线21，捻度可控范围为0~∞，同时由于碳纳米管纱线21的直径非常细，所以实际生产中捻度控制在较高水平，通常在5000T/m以上。并且本实施例中的碳纳米管纺纱机100各部件大致呈立式排列，可以大大减小占地面积，在实际生产中，可以集成多个所述的碳纳米管纺纱机100，并由同一控制系统进行控制，形成图3所示的集成碳纳米管纺纱机，便于实现碳纳米管纱线的批量化生产，为碳纳米管纱线的产业化奠定了基础。

并且，可以理解的是，上述过程中，是集成有控制系统对碳纳米管纺纱机100的运行进行相应操控，例如输出罗拉132和输出压辊131的分离、收容装置10的角度调整等。控制系统可以是包括微控制器（Micro Controller Unit, MCU）的集成电路。本领域技术人员所熟知的是，微控制器可以包括中央处理单元（Central Processing Unit, CPU）、只读存储模块（Read-Only Memory, ROM）、随机存储模块（Random Access Memory, RAM）、定时模块、数字模拟转换模块（A/D Converter）、以及若干输入/输出端口。当然，控制装置也可以采用其它形式的集成电路，如特定用途集成电路（Application Specific Integrated Circuits, ASIC）或现场可编程门阵列（Field-programmable Gate Array, FPGA）等。

下面介绍一种利用本实用新型的碳纳米管纺纱机生产碳纳米管纱线的方法的实施例。首先从碳纳米管阵列中直接抽出高取向的碳纳米管薄膜，然后将得到的碳纳米管薄膜固定到凹槽集束导纱装置上，以集聚成束，接着将此时聚集成束的碳纳米管薄膜与普通纱线相连，普通纱线起到的作用是将聚集成束的碳纳米管薄膜牵引通过凹槽集束导纱装置和牵伸系统，最后将其缠绕到与环锭配套的纱筒上。在此过程中，输出罗拉和输出压辊被控制在分离装置，当纱线缠绕至纱筒上后，再将输出罗拉和输出压辊控制贴合。

接着，启动整个碳纳米管纺纱机，在输出罗拉和输出压辊的配合牵引作用下，将碳纳米管薄膜不断地从碳纳米管阵列中抽出，通过凹槽集束器和凹槽导纱器的双重集束和导引，形成连续的碳纳米管纱线。然后碳纳米管纱线依次通过导纱钩，在钢丝钩及钢领的作用下被缠绕至环锭的纱筒上，通过环锭旋转对碳纳米管纱线进行加捻，形成具有带有捻回的碳纳米管纱线。同时由于此时碳纳米管纱线力学强度较高，保证在被牵伸系统牵伸时不被拉断，使得碳纳米管纱线的生产可以连续稳定地进行，以制得长纤维长度的碳纳米管纱线。在实际生产试验中，通过本实用新型的碳纳米管的制备方法，可以连续大批量制得单丝长度达到百米级甚至千米级的碳纳米管纱线，在一定程度上解决了目前碳纳米管阵列纺纱的瓶颈技术。

本实用新型通过上述实施方式，具有以下有益效果：通过设置凹槽集束导纱装置，使得收容装置中的碳纳米管阵列抽出的碳纳米管薄膜可以较佳地集束成型，确保了碳纳米管纱线稳定连续的生产，可以连续大批量得到长纤维长度的碳纳米管纱线。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种碳纳米管纺纱机，其特征在于，该纺纱机包括：

收容装置，用于收容碳纳米管阵列；

牵伸系统，用于从所述收容装置中的碳纳米管阵列中抽出碳纳米管薄膜；

凹槽集束导纱装置，设置在所述收容装置和牵伸系统之间，用于使位于所述收容装置与所述凹槽集束导纱装置之间的碳纳米管薄膜聚集成束以形成碳纳米管纱线；

加捻收集系统，用于缠绕所述碳纳米管纱线。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管纺纱机，其特征在于，所述凹槽集束导纱装置包括凹槽集束器和凹槽导纱器，所述凹槽集束器和凹槽导纱器上分别设置有V槽状导纱口。

3.根据权利要求1所述的碳纳米管纺纱机，其特征在于，所述收容装置可转动设置。

4.根据权利要求1所述的碳纳米管纺纱机，其特征在于，所述牵伸系统包括成对设置的输出罗拉及输出压辊。

5.根据权利要求4所述的碳纳米管纺纱机，其特征在于，所述输出罗拉和输出压辊可被控制地彼此分离或贴合。

6.根据权利要求1所述的碳纳米管纺纱机，其特征在于，所述加捻收集系统包括钢领、钢丝钩及环锭。

7.根据权利要求1所述的碳纳米管纺纱机，其特征在于，所述碳纳米管薄膜经过所述凹槽集束导纱装置后形成的碳纳米管纱线的直径大于等于5微米。