TWI621583B - 一種奈米碳管繩的製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種奈米碳管繩的製備方法，包括以下步驟：提供一形成於一基底上的奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列包括多個奈米碳管基本垂直於所述基底表面；從所述奈米碳管陣列中選取多個奈米碳管，對該多個奈米碳管施加一拉力，從而形成一奈米碳管膜；提供一彈性桿，該彈性桿相對於所述基底表面平行，將所述奈米碳管膜的起始端固定在該彈性桿的表面；以所述彈性桿的中心線為轉動軸旋轉該彈性桿，旋轉過程中所述彈性桿保持弧形且向靠近所述奈米碳管陣列的方向彎曲。

Description

一種奈米碳管繩的製備方法
本發明涉及一種奈米碳管繩的製備方法。
奈米碳管具有優異的力學、熱學及電學性質，可用於製作場效應電晶體、原子力顯微鏡針尖、場發射電子槍、奈米範本等等。但是，目前基本上都是在微觀尺度下應用奈米碳管，操作較困難。所以，將奈米碳管組裝成宏觀尺度的結構對於奈米碳管的宏觀應用具有重要意義。
申請號為200510120716.6的中國大陸專利公開了一種利用拉伸工具從超順排奈米碳管陣列拉取一奈米碳管膜，然後將拉出的奈米碳管膜經過一有機溶劑浸潤處理後收縮成為奈米碳管絲的方法。然而該方法需要經過拉伸與收縮兩個步驟，操作複雜且需要花費一定的時間。
有鑑於此，實為必要提供一種奈米碳管繩的製備方法，該方法操作更為簡單。
一種奈米碳管繩的製備方法，包括以下步驟：
S21，提供一形成於一基底上的奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列包括多個奈米碳管基本垂直於所述基底表面；
S22，從所述奈米碳管陣列中選取多個奈米碳管，對該多個奈米碳管施加一拉力，從而形成一奈米碳管膜；
S23，提供一彈性桿，該彈性桿相對於所述基底表面平行，將所述奈米碳管膜的起始端固定在該彈性桿的表面；
S24，以所述彈性桿的中心線為轉動軸旋轉該彈性桿，旋轉過程中所述彈性桿保持弧形且向靠近所述奈米碳管陣列的方向彎曲，所述奈米碳管膜與所述彈性桿接觸部位的寬度逐漸減小。
與先前技術相比較，本發明提供的奈米碳管繩的製備方法通過旋轉所述彈性桿將任意寬度的奈米碳管膜直接收縮成奈米碳管繩，而無需經過有機溶劑的浸潤處理，操作更為簡單，可以實現規模化生產。
圖1為本發明第一實施例提供的奈米碳管拉取裝置示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的奈米碳管拉取裝置結構示意圖。
圖3為本發明第二實施例提供的奈米碳管膜的製備方法示意圖。
圖4為本發明第二實施例提供的奈米碳管膜的製備方法原理圖。
圖5為本發明第三實施例提供的奈米碳管繩的製備方法示意圖。
下面將結合圖式及具體實施例，對本發明提供的奈米碳管繩的製備方法作進一步的詳細說明。
請參見圖1，本發明第一實施例提供一種奈米碳管拉取裝置100，用於從奈米碳管陣列10中獲取奈米碳管結構，所述奈米碳管結構包括奈米碳管膜、奈米碳管繩等。所述奈米碳管拉取裝置100包括：一彈性桿110與一控制器120。所述彈性桿110具有一第一連接端111以及與該第一連接端111相對的第二連接端112，該第一連接端111與第二連接端112與所述控制器120連接，所述彈性桿110的主體部份懸空設置。所述彈性桿110在所述控制器120的驅動下以自身中心線113為轉動軸進行旋轉。
所述控制器120包括一驅動單元以及一形態調節單元，所述驅動單元為所述彈性桿110的旋轉提供動力，所述形態調節單元控制所述彈性桿110的空間形態。請參見圖2，本實施例中所述控制器120包括：第一電機123、第二電機124、第一限位環125、第二限位環126、連接桿121以及控制器本體127。所述第一電機123、第二電機124、第一限位環125、第二限位環126分別通過連接桿121與所述控制器本體127連接。所述控制器本體127內部設置有形態調節單元，該形態調節單元通過控制所述第一電機123、第二電機124、第一限位環125、第二限位環126在三維空間的位置調節所述彈性桿110的空間形態。
所述第一電機123與所述第一連接端111連接，所述第二電機124與所述第二連接端112連接。所述彈性桿110的旋轉速度及方向由所述第一電機123、第二電機124的運轉速度及方向來控制。所述第一電機123與第二電機124的轉速及方向相同，其轉速可以為幾十至幾百轉每分鐘。本實施例中採用兩電機驅動所述彈性桿110，可以理解，電機的具體個數及設置方式並不限於實施例中提供的方式，只需確保可以驅動所述彈性桿110繞其中心軸旋轉即可。例如，可以僅提供一個電機，該電機驅動所述第一連接端111或第二連接端112中的一個旋轉，另一個則跟隨轉動。
所述第一限位環125與第二限位環126套設於所述彈性桿110的表面，用於限制該彈性桿110在旋轉中的空間位置。所述第一限位環125靠近所述第一連接端111的內側設置，所述第二限位環126靠近所述第二連接端112的內側設置。優選地，所述第一限位環125與第二限位環126對稱設置。所述第一限位環125、第二限位環126與所述彈性桿110之間存在一定的間隙，以使所述彈性桿110可以相對於該第一限位環125與第二限位環126自由轉動。優選地，所述第一限位環125、第二限位環126為圓環結構，內徑d1相等且略大於所述彈性桿110的直徑d2。所述第一限位環125與第二限位環126的空間位置由控制器本體127內部的形態調節單元控制，當所述第一限位環125與第二限位環126的空間位置固定時，所述彈性桿110在旋轉過程中的空間位置可以基本保持不變。本實施例中所述第一限位環125、第二限位環內徑相等，且有0.5 mm < d1-d2 < 5 mm；所述第一限位環125與所述第一連接端111的距離為L1，所述第二限位環126與所述第二連接端112的距離為L2，且有10 mm < L1 = L2 < 50 mm。需要說明的是，限位元環的數量與位置可以根基實際情況而調整，且限位元環並非必選組件，限位元環的作用是進一步限制彈性桿110在旋轉過程中的空間位置，即使沒有限位環也可以實現本發明。
所述彈性桿110具有良好的彈性，可以在外力的作用下改變形狀，例如，由直桿彎曲為弧形桿且弧度可變。所述弧形可以為圓弧、橢圓弧或其他的不規則弧形。所述彈性桿110可以是向遠離所述奈米碳管陣列10的方向彎曲，也可以是向靠近所述奈米碳管陣列10的方向彎曲。所述彈性桿的形狀為桿狀。所述彈性桿110的材料不限，只需滿足能夠在外力的作用下彎曲且以其自身中心線為轉動軸自轉。所述彈性桿的彎曲模量可以為1-20Mpa。所述彈性桿110的材料可以為具有良好彈性的塑膠、樹脂、橡膠等材料。本實施例中採用的為矽橡膠。所述彈性桿110的截面形狀不限，可以為各種由直線或曲線圍成的封閉圖形，優選為圓形。本實施例中所述彈性桿110為一矽膠棒，該矽膠棒各個位置的截面為直徑相等的圓形，所述矽膠棒的直徑為d2，且有1mm < d2< 50mm。所述矽膠棒在自由狀態下為一直桿，並可以在外力的作用下彎曲成弧形，且弧度隨外力的變化而變化。
所述奈米碳管拉取裝置100在使用時，所述第一連接端111與第二連接端112分別在所述第一電機123與第二電機124的驅動下以相同的速度旋轉，使得該彈性桿110以其自身中心線113為轉動軸自轉。所述彈性桿110的空間形態通過所述控制器120控制所述第一電機123與第二電機124之間的距離調節。所述彈性桿110的旋轉速度不限，只需確保在拉取過程中所述奈米碳管能夠連續且均勻地從所述奈米碳管陣列10中拉出。優選地，所述彈性桿110保持勻速旋轉，旋轉的線速度約為0.01 cm/s~100 cm/s。當所述彈性桿110向遠離所述奈米碳管陣列10的方向彎曲時，可以獲得一寬度逐漸增大的奈米碳管膜；當所述彈性桿110向靠近所述奈米碳管陣列10的方向彎曲時，可以獲得一寬度逐漸減小的奈米碳管膜，該寬度逐漸減小的奈米碳管膜逐漸收縮即可獲得一奈米碳管繩。所述彈性桿110在旋轉過程中其彎曲方向及彎曲弧度可以自由調節。
本發明第一實施例提供的奈米碳管拉取裝置100用於從奈米碳管陣列10中拉取各種奈米碳管結構，且在拉取過程中所述奈米碳管結構的寬度可以任意調節，不再受制於所述奈米碳管陣列10的尺寸。
請參見圖3，本發明第二實施例提供一種製備奈米碳管膜的製備方法，包括以下步驟：
S11，提供一形成於一基底20上的奈米碳管陣列10，該奈米碳管陣列10包括複數個奈米碳管基本垂直於所述基底20表面；
S12，從所述奈米碳管陣列10中選取複數個奈米碳管，對該複數個奈米碳管施加一拉力，從而形成一奈米碳管膜30；
S13，提供一彈性桿110，該彈性桿相對於所述基底表面平行，將所述奈米碳管膜30的起始端固定在該彈性桿110的表面；
S14，以所述彈性桿110的中心線113為轉動軸旋轉該彈性桿110，旋轉過程中所述彈性桿110保持弧形且向遠離所述奈米碳管陣列10的方向彎曲，所述奈米碳管膜30與所述彈性桿110接觸部位的寬度逐漸增加。
步驟S11中，所述奈米碳管陣列10包括複數個基本垂直於基底20表面的奈米碳管，且該複數個基本垂直於所述基底20表面的奈米碳管以陣列方式排列。所述奈米碳管陣列10為通過化學氣相沈積的方法生長在該基底20的表面。該奈米碳管陣列10中的奈米碳管基本彼此平行且垂直於基底20表面，相鄰的奈米碳管之間相互接觸並通過凡得瓦力相結合。通過控制生長條件，該奈米碳管陣列10中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。由於基本不含雜質且奈米碳管相互間緊密接觸，相鄰的奈米碳管之間具有較大的凡得瓦力，足以使在拉取一些奈米碳管（奈米碳管片段）時，能夠使相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力的作用被首尾相連、連續不斷的拉出。這種能夠使奈米碳管首尾相連的從其中拉出的奈米碳管陣列10也稱為超順排奈米碳管陣列10。該基底20的材料可以為P型矽、N型矽或氧化矽等適合生長超順排奈米碳管陣列10的基底。
步驟S12中，首先從所述奈米碳管陣列10中選定寬度為d1 的複數個奈米碳管片斷。可以採用具有一定寬度的膠帶接觸奈米碳管陣列10以選定寬度為d1 的複數個奈米碳管片斷，然後以一定速度沿基本垂直於奈米碳管陣列10生長方向拉伸該複數個奈米碳管片斷，該複數個奈米碳管片斷在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時，由於凡得瓦力作用，該選定的複數個奈米碳管片斷分別與其他奈米碳管片斷首尾相連地連續地被拉出，從而形成一奈米碳管膜30。該奈米碳管膜30由定向排列的複數個奈米碳管束首尾相連形成，寬度為d1 。該奈米碳管膜30中奈米碳管的排列方向基本平行於奈米碳管膜的拉伸方向。
步驟S13中，所述奈米碳管膜30的起始端固定在所述彈性桿110表面的S點，優選地，所述S點為所述彈性桿110的中點。
步驟S14中，所述彈性桿110在外力的帶動下以其自身的中心線113為轉動軸旋轉。所述外力可以由本發明第一實施例中的控制器120提供，也可以由操作者的雙手提供。所述彈性桿110在旋轉過程中保持弧形且向遠離所述奈米碳管陣列10的方向彎曲。優選地，所述彈性桿110與所述奈米碳管膜30位於同一平面。所述彈性桿勻速旋轉，旋轉的線速度可以為0.01 cm/s~100 cm/s。在所述彈性桿110開始旋轉前，所述奈米碳管膜30各個位置的寬度大致相同，均為d1 。所述彈性桿110在旋轉過程中，所述奈米碳管膜30與所述彈性桿110接觸部位的寬度逐漸增加，由d1 變化為d1 ’，所述奈米碳管膜30與所述奈米碳管陣列10接觸部位的寬度基本不變，保持為d1 。
請參見圖4，所述奈米碳管膜30中包含複數個由首尾相連的奈米碳管形成的奈米碳管絲，旋轉過程中所述奈米碳管絲受到來自所述彈性桿110的作用力T1 ，以及來自奈米碳管陣列10的作用力T2 。T1 與T2 之間成一定的夾角θ，0°<θ<180°。所述奈米碳管膜30在T1 與T2 的作用下逐漸向外擴張，所述奈米碳管膜30與所述彈性桿110接觸部位的寬度逐漸增大。所述奈米碳管膜與所述彈性桿接觸部位的寬度可以通過改變所述彈性桿的彎曲程度或改變所述彈性桿與所述奈米碳管陣列的距離調節。當所述夾角θ的度數約為180°時，所述奈米碳管膜30不再向外擴張，所述奈米碳管膜30與所述彈性桿接觸部位的寬度保持不變，所述奈米碳管膜30處於穩定拉伸狀態，該狀態下所述彈性桿110為圓弧，且弧心O位於所述奈米碳管膜30與所述奈米碳管陣列10的接觸部位。
本發明第二實施例提供一種製備奈米碳管膜的方法，利用該方法製備的奈米碳管膜的寬度可以在拉取過程中任意調節，且所獲得的奈米碳管膜的最大寬度不再受制於奈米碳管陣列的尺寸。
請參見圖5，本發明第三實施例提供一種製備奈米碳管繩的方法，包括以下步驟：
S21，提供一形成於一基底20上的奈米碳管陣列10，該奈米碳管陣列10包括複數個奈米碳管基本垂直於所述基底20表面；
S22，從所述奈米碳管陣列10中選取複數個奈米碳管，對該複數個奈米碳管施加一拉力，從而形成一奈米碳管膜30；
S23，提供一彈性桿110，該彈性桿相對於所述基底表面平行，將所述奈米碳管膜30的起始端固定在該彈性桿110的表面；
S24，以所述彈性桿110的中心線113為轉動軸旋轉該彈性桿110，旋轉過程中所述彈性桿110保持弧形且向靠近所述奈米碳管陣列10的方向彎曲，所述奈米碳管膜30與所述彈性桿110接觸部位的寬度逐漸減小。
本實施例與第一實施例的主要區別在於：本實施例中所述彈性桿110的彎曲方向靠近所述奈米碳管陣列10，而第一實施例中所述彈性桿110的彎曲方向遠離所述奈米碳管陣列10。
步驟S24中，所述彈性桿110在外力的帶動下以其自身的中心線113為轉動軸旋轉。所述外力可以由本發明第一實施例中的控制器120提供，也可以由操作者的雙手提供。所述彈性桿110在旋轉過程中保持弧形且向靠近所述奈米碳管陣列10的方向彎曲。優選地，所述彈性桿110與所述奈米碳管膜30位於同一平面。在所述彈性桿110開始旋轉前，所述奈米碳管膜30各個位置的寬度大致相同，均為d2 。所述彈性桿110在旋轉過程中，所述奈米碳管膜30與所述彈性桿110接觸部位的寬度逐漸減小，由d2 減小為d2 ’，所述奈米碳管膜30與所述奈米碳管陣列10接觸部位的寬度基本不變，保持為d2 。
所述奈米碳管膜30中包含複數個由首尾相連的奈米碳管形成的奈米碳管絲。轉動過程中，所述奈米碳管絲受到來自彈性桿110的作用力T3 以及來自奈米碳管陣列10的作用力T4 。上述兩個力之間的夾角為γ，0°<γ<180°。所述奈米碳管絲在上述兩個力的作用下逐漸向內收縮，所述奈米碳管膜30與所述彈性桿110接觸部位的寬度逐漸減小，直至所述奈米碳管膜30在所述彈性桿110接觸部位收縮為一奈米碳管繩。
本發明第三實施例提供的奈米碳管繩的製備方法可以將任意寬度的奈米碳管膜30收縮成奈米碳管繩，所述奈米碳管膜30的寬度越大，所獲得的奈米碳管繩越粗，強度越高，且收縮過程中所述奈米碳管膜30無需經過有機溶劑的浸潤處理，操作更為簡單。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧奈米碳管拉取裝置
10‧‧‧奈米碳管陣列
20‧‧‧基底
30‧‧‧奈米碳管膜
31‧‧‧奈米碳管絲
110‧‧‧彈性桿
111‧‧‧第一連接端
112‧‧‧第二連接端
113‧‧‧中心線
120‧‧‧控制器
121‧‧‧連接桿
123‧‧‧第一電機
124‧‧‧第二電機
125‧‧‧第一限位環
126‧‧‧第二限位環
127‧‧‧控制器本體
無。

Claims (10)

  1. 一種奈米碳管繩的製備方法，其中，包括以下步驟：
    S21，提供一形成於一基底上的奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列包括多個奈米碳管基本垂直於所述基底表面；
    S22，從所述奈米碳管陣列中選取多個奈米碳管，對該多個奈米碳管施加一拉力，從而形成一奈米碳管膜；
    S23，提供一彈性桿，該彈性桿相對於所述基底表面平行，將所述奈米碳管膜的起始端固定在該彈性桿的表面；
    S24，以所述彈性桿的中心線為轉動軸旋轉該彈性桿，旋轉過程中所述彈性桿保持弧形且向靠近所述奈米碳管陣列的方向彎曲，所述奈米碳管膜與所述彈性桿接觸部位的寬度逐漸減小。
  2. 如請求項1所述的奈米碳管繩的製備方法，其中，步驟S21中所述奈米碳管陣列為一超順排奈米碳管陣列。
  3. 如請求項1所述的奈米碳管繩的製備方法，其中，步驟S23中所述奈米碳管膜的起始端固定於所述彈性桿的中點。
  4. 如請求項1所述的奈米碳管繩的製備方法，其中，步驟S23中所述彈性桿的彎曲模量為1-20Mpa。
  5. 如請求項1所述的奈米碳管繩的製備方法，其中，步驟S23中所述彈性桿的材料為矽橡膠。
  6. 如請求項1所述的奈米碳管繩的製備方法，其中，步驟S24中所述奈米碳管膜與所述彈性桿位於同一平面。
  7. 如請求項1所述的奈米碳管繩的製備方法，其中，步驟S24中所述彈性桿勻速旋轉。
  8. 如請求項1所述的奈米碳管繩的製備方法，其中，步驟S24中所述彈性桿旋轉的線速度為0.01 cm/s~100 cm/s。
  9. 如請求項1所述的奈米碳管繩的製備方法，其中，步驟S24中所述彈性桿的形狀為圓弧。
  10. 如請求項9所述的奈米碳管繩的製備方法，其中，步驟S24中所述彈性桿的弧心位於位於所述奈米碳管膜與所述奈米碳管陣列的交點。
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