一種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的裝置。所述裝置包括線軸Ⅰ、設(shè)有穿孔的容器、加熱裝置、導(dǎo)紗裝置和線軸Ⅱ，所述的線軸Ⅰ和線軸Ⅱ均連接有速控電機(jī)。使用本實用新型所述裝置可制備聚合物皮層的體積百分比含量在5%以上，且復(fù)合纖維的直徑超過10μm的皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維，且所制備的復(fù)合纖維具有普通紗線的可操作性，可以滿足拉伸、織造等后續(xù)處理工藝的要求，并且適合規(guī)?；?，具有實用價值。
【專利說明】一種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的裝置，具體說，是涉及一種以碳納米管纖維為芯層、以導(dǎo)電聚合物為皮層的皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的制備裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)開始便成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)，其研究現(xiàn)已涉及到化學(xué)、物理、生物、微電子、材料學(xué)等多個領(lǐng)域。碳納米管是一種典型的一維納米材料，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，是由單層或多層石墨層結(jié)構(gòu)圍繞中心按一定螺旋角卷曲而成的無縫納米級管，其具有高強(qiáng)度、超輕量的力學(xué)特性以及獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)碳納米管在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，必須將碳納米管經(jīng)過組裝或與其他材料復(fù)合形成宏觀尺度的材料，其中碳納米管纖維技術(shù)是最具潛力并且成果顯著的方向之一。
[0003]目前碳納米管纖維的制備方法有干法紡絲法，直接紡絲法以及濕法紡絲方法。干法紡絲方法是先采用化學(xué)氣相沉積法生長出微米級甚至毫米級碳納米管陣列，再從陣列中抽出一定寬度的碳納米管薄膜，然后通過加捻技術(shù)捻成纖維，這種方法又稱為兩步法。直接紡絲法是在高溫氣相反應(yīng)合成連續(xù)碳納米管的過程中直接通過加捻制備碳納米管纖維，又稱為一步法。濕法紡絲則是將碳納米管粉體與高聚物混合成分散液，再經(jīng)過擠壓通過凝固浴或者利用靜電紡絲方法制備，這種方法制備的碳納米管纖維含碳量較低，且力學(xué)及電學(xué)性能均較前兩種方法差。
[0004]干法紡絲和直接紡絲法方法獲得的碳納米管纖維強(qiáng)度(大于500MPa)和柔韌性均可與目前商用天然纖維或化學(xué)纖維相媲美，且其優(yōu)異的導(dǎo)電性能更賦予了碳納米管纖維在智能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用價值。由于碳納米管纖維直徑在5 μ m?20 μ m，使單根碳納米管纖維所承受的最大拉力僅為十幾厘牛，甚至幾個厘牛，且纖維表面碳納米管耐磨性較差，并不適合直接織造，因而將碳納米管纖維與聚合物復(fù)合成為進(jìn)一步應(yīng)用碳納米管纖維的必要條件。如中國專利CN101967699B中提到的高性能碳納米管纖維的制備方法，這種方法是在采用干法紡絲制備碳納米管纖維的過程中將陣列中抽取的碳納米管薄膜以熱固型聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液浸潤，經(jīng)加捻后形成碳納米管/聚酰胺酸復(fù)合纖維，對其進(jìn)行固化處理最終形成碳納米管/聚酰亞胺復(fù)合纖維。這種復(fù)合纖維的直徑較碳納米管纖維直徑并未有太大改變，復(fù)合纖維中聚酰亞胺的體積百分比僅為5%以下，且聚酰亞胺聚合物成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散在復(fù)合纖維中。
實用新型內(nèi)容
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問題和應(yīng)用需求，本實用新型的目的是提供一種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的裝置。
[0006]為實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的裝置，包括線軸1、設(shè)有穿孔的容器、加熱裝置、導(dǎo)紗裝置和線軸II，由線軸I抽出的纖維依次經(jīng)過設(shè)有穿孔的容器、加熱裝置和導(dǎo)紗裝置固定在線軸II上，所述的線軸I和線軸II均連接有速控電機(jī)。
[0008]作為一種優(yōu)選方案，所述的線軸1、設(shè)有穿孔的容器、加熱裝置、導(dǎo)紗裝置和線軸II依次自下至上垂直排布，所述的穿孔設(shè)置在容器底部的中心位置。
[0009]所述穿孔的直徑優(yōu)選為30 μ m?100 μ m。
[0010]所述容器的材質(zhì)為不銹鋼、玻璃或者聚四氟乙烯等耐腐蝕塑料。
[0011]所述的容器和加熱裝置可以為一組或多組。
[0012]使用上述裝置制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的方法，包括如下步驟:
[0013]a)配制導(dǎo)電聚合物溶液，備用；
[0014]b)將從線軸I抽出的碳納米管纖維由穿孔穿過容器、依次經(jīng)過加熱裝置和導(dǎo)紗裝置后固定在線軸II上；
[0015]c)將步驟a)配制的導(dǎo)電聚合物溶液加入容器中，開啟速控電機(jī)，使碳納米管纖維以勻速經(jīng)過導(dǎo)電聚合物溶液，并同時開啟加熱裝置，使形成的復(fù)合纖維快速固化；
[0016]d)使固化后的復(fù)合纖維經(jīng)過導(dǎo)紗裝置被收集在線軸II上。
[0017]所述的導(dǎo)電聚合物溶液的質(zhì)量百分比濃度推薦大于1%，優(yōu)選為5%?10%。
[0018]所述的導(dǎo)電聚合物溶液是由聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氨酯、尼龍、聚酯、纖維素、蠶絲中的至少一種與水、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲酰胺、甲酸、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、甲醇、溴化乙烯基三苯基鱗(又稱為Schweizer試劑)中的至少一種配制而成。
[0019]所述的導(dǎo)電聚合物溶液中還可適當(dāng)?shù)募尤爰{米金屬顆粒(例如:納米銀顆粒)以提高復(fù)合纖維的導(dǎo)電性。
[0020]作為一種優(yōu)選方案，步驟C)，控制容器中的導(dǎo)電聚合物溶液的深度始終保持在5mm,且控制碳納米管纖維以0.5mm/s?lmm/s的速度勻速經(jīng)過導(dǎo)電聚合物溶液,及控制加熱區(qū)域的溫度為60?80°C。
[0021]所述的碳納米管纖維可以是一步法通過化學(xué)氣相沉積直接紡制而得，也可以是兩步法通過對碳納米管陣列進(jìn)行干法紡絲制備而得；所述的碳納米管纖維可以是單根碳納米管纖維也可以是多根加捻后的合股碳納米管纖維。
[0022]本實用新型所述的皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維是一種以碳納米管纖維為芯層、以導(dǎo)電聚合物為皮層的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下有益效果:
[0024]1、可制得聚合物皮層的體積百分比含量在5%以上，且復(fù)合纖維的直徑超過10 μ m的皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維。
[0025]2、所制備的皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的表面均勻光滑，無毛羽，具有優(yōu)異的抗摩擦性能。
[0026]3、所制備的皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度高于50cN，在長度方向上的電導(dǎo)率不低于500S/cm，具有普通紗線的可操作性，可以滿足拉伸、織造等后續(xù)處理工藝的要求。
[0027]4、制備裝置簡單，制備工藝易操作，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，且制備周期短，適合規(guī)?；?。【專利附圖】

【附圖說明】[0028]圖1是實施例1提供的一種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是實施例1所制備的皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3是實施例2提供的一種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4是實施例2所制備的皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖中:1、線軸I ;2、容器；21、穿孔；22、導(dǎo)電聚合物溶液；3、加熱裝置；4、導(dǎo)紗裝置；5、線軸II ;6、速控電機(jī)；a、碳納米管纖維；b、復(fù)合纖維；A、芯層；B、皮層；B1、第一皮層；B2、第二皮層。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合具體實施例和附圖，進(jìn)一步闡述本實用新型。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本實用新型而非限制本實用新型的保護(hù)范圍。
[0034]如圖1和圖3所示:本實用新型所述的一種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的裝置，包括線軸I 1、設(shè)有穿孔的容器2、加熱裝置3、導(dǎo)紗裝置4和線軸II 5，由線軸I I抽出的纖維依次經(jīng)過設(shè)有穿孔的容器2、依次經(jīng)過加熱裝置3和導(dǎo)紗裝置4后固定在線軸II 5上，所述的線軸I I和線軸II 5均連接有速控電機(jī)6。
[0035]作為一種優(yōu)選方案，所述的線軸I 1、設(shè)有穿孔的容器2、加熱裝置3、導(dǎo)紗裝置4和線軸II 5依次自下至上垂直排布，所述的穿孔21設(shè)置在容器2的底部中心位置；所述的容器2和加熱裝置3可以為一組(例如圖1所示，以用于制備單層皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維)或多組(例如圖2所示，以用于制備具有不同聚合物皮層的多層皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維)。
[0036]所述穿孔21的直徑優(yōu)選為30 μ m?100 μ m,以確保無論是單根碳納米管纖維還是多根加捻后的合股碳納米管纖維均能無摩擦的穿過此孔，且能保證容器中的導(dǎo)電聚合物溶液22由于表面張力作用而不會從該孔中滲出。
[0037]所述容器2的材質(zhì)要使用不會被盛裝其中的導(dǎo)電聚合物溶液22所腐蝕的材料，可以為不銹鋼、玻璃或者聚四氟乙烯等耐腐蝕塑料。
[0038]使用上述裝置制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的方法，包括如下步驟:
[0039]a)配制導(dǎo)電聚合物溶液，備用；
[0040]b)將從線軸I抽出的碳納米管纖維由穿孔穿過容器、依次經(jīng)過加熱裝置和導(dǎo)紗裝置后固定在線軸II上；
[0041]c)將步驟a)配制的導(dǎo)電聚合物溶液加入容器中，開啟速控電機(jī)，使碳納米管纖維以勻速經(jīng)過導(dǎo)電聚合物溶液，并同時開啟加熱裝置，使形成的復(fù)合纖維快速固化；
[0042]d)使固化后的復(fù)合纖維經(jīng)過導(dǎo)紗裝置被收集在線軸II上。
[0043]所述的導(dǎo)電聚合物溶液的質(zhì)量百分比濃度推薦大于1%，優(yōu)選為5%?10% ;所述的導(dǎo)電聚合物溶液是由聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氨酯、尼龍、聚酯、纖維素、蠶絲中的至少一種與水、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲酰胺、甲酸、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、甲醇、溴化乙烯基三苯基鱗(又稱為Schweizer試劑)中的至少一種配制而成；所述的導(dǎo)電聚合物溶液中還可適當(dāng)?shù)募尤爰{米金屬顆粒(例如:納米銀顆粒)以提高復(fù)合纖維的導(dǎo)電性。
[0044]作為一種優(yōu)選方案，步驟C)，控制容器中的導(dǎo)電聚合物溶液的深度始終保持在5mm,且控制碳納米管纖維以0.5mm/s?lmm/s的速度勻速經(jīng)過導(dǎo)電聚合物溶液,及控制加熱區(qū)域的溫度為60?80°C。
[0045]所述的碳納米管纖維可以是一步法通過化學(xué)氣相沉積直接紡制而得，也可以是兩步法通過對碳納米管陣列進(jìn)行干法紡絲制備而得；所述的碳納米管纖維可以是單根碳納米管纖維也可以是多根加捻后的合股碳納米管纖維。
[0046]本實用新型所述的皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維是一種以碳納米管纖維為芯層、以導(dǎo)電聚合物為皮層的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維，聚合物皮層的體積百分比含量在5%以上，且復(fù)合纖維的直徑超過10 μ m。
[0047]實施例1:制備聚乙烯醇/碳納米管單層皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維
[0048]a、將5g聚乙烯醇溶于去離子水中，配制成質(zhì)量百分比濃度為10%的聚乙烯醇水溶液；
[0049]b、使用圖1所示裝置，將直徑約為30 μ m的碳納米管纖維a的頭端從線軸I I上取出，由穿孔21穿過容器2，然后依次經(jīng)過加熱裝置3和導(dǎo)紗裝置4后固定在線軸II 5上；
[0050]C、將步驟a)配制的聚乙烯醇水溶液加入容器2中，并控制其中的聚乙烯醇水溶液22的深度始終為5mm，打開速控電機(jī)6使碳納米管纖維a以0.5mm/s的速度勻速經(jīng)過盛裝在容器2中的聚乙烯醇水溶液22 ；同時開啟加熱裝置3，控制加熱區(qū)域的溫度為60?80°C，使被聚乙烯醇水溶液浸潤的碳納米管復(fù)合纖維快速固化；使固化后的復(fù)合纖維b經(jīng)過導(dǎo)紗裝置4被收集在線軸II 5上。
[0051]圖2是所制得的復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖2可見:所制備的復(fù)合纖維為單層皮芯結(jié)構(gòu):碳納米管纖維層為芯層A，導(dǎo)電聚合物層(聚乙烯醇層)為皮層B。
[0052]實施例2:制備聚氨酯/聚乙烯醇/碳納米管多層皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維
[0053]a、將2.5g聚乙烯醇溶于去離子水中，配制成質(zhì)量百分比濃度為5%的聚乙烯醇水溶液；將2.5g聚氨酯溶于二甲基甲酰胺中，配制成質(zhì)量百分比濃度為5%的聚氨酯二甲基甲酰胺溶液；
[0054]b、使用圖3所示裝置，將直徑約為30 μ m的碳納米管纖維a的頭端從線軸I I上取出，由穿孔21穿過第一組容器2和加熱裝置3后再由穿孔21’穿過第二組容器2’和加熱裝置3’，然后經(jīng)過導(dǎo)紗裝置4固定在線軸II 5上；
[0055]C、將步驟a)配制的聚乙烯醇水溶液加入容器2中及將步驟a)配制的聚氨酯二甲基甲酰胺溶液加入容器2’中，并分別控制盛裝其中的聚乙烯醇水溶液和聚氨酯二甲基甲酰胺溶液的深度始終為5mm，打開速控電機(jī)6使碳納米管纖維a以lmm/s的速度依次勻速經(jīng)過盛裝在容器2中的聚乙烯醇水溶液和加熱裝置3及盛裝在容器2’中的聚氨酯二甲基甲酰胺溶液和加熱裝置3’(均需控制加熱區(qū)域的溫度為60?80°C);使固化后的復(fù)合纖維b經(jīng)過導(dǎo)紗裝置4被收集在線軸II 5上。
[0056]圖4是所制得的復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖4可見:所制備的復(fù)合纖維為多層皮芯結(jié)構(gòu):碳納米管纖維層為芯層A，聚乙烯醇層為第一皮層BI，聚氨酯層為第二皮層B2。
[0057]實施例3:制備添加納米銀顆粒的聚氨酯/聚乙烯醇/碳納米管多層皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維
[0058]本實施例實施例2的不同之處僅在于:在配制聚乙烯醇水溶液和聚氨酯二甲基甲酰胺溶液時，均同時添加IOmg納米銀顆粒并采用磁力攪拌器及超生震蕩方法使納米顆粒均勻分散在溶液中。其余操作均與實施例2中所述相同。
[0059]本實施例所制備的復(fù)合纖維也為多層皮芯結(jié)構(gòu):碳納米管纖維層為芯層A，含納米銀顆粒的聚乙烯醇層為第一皮層BI，含納米銀顆粒的聚氨酯層為第二皮層B2。
[0060]最后有必要在此說明的是:以上實施例只用于對本實用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明，不能理解為對本實用新型保護(hù)范圍的限制；本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本實用新型的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本實用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電碳納米管復(fù)合纖維的裝置，其特征在于:包括線軸1、設(shè)有穿孔的容器、加熱裝置、導(dǎo)紗裝置和線軸II，所述的線軸I和線軸II均連接有速控電機(jī)；所述的線軸1、設(shè)有穿孔的容器、加熱裝置、導(dǎo)紗裝置和線軸II依次自下至上垂直排布，所述的穿孔設(shè)置在容器底部的中心位置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述穿孔的直徑為30μ m?100 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述容器的材質(zhì)為不銹鋼、玻璃或者耐腐蝕塑料。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的容器和加熱裝置為一組或多組。
【文檔編號】D01F8/16GK203382872SQ201320423674
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月16日
【發(fā)明者】劉瑋, 趙鵬偉, 許福軍, 吳湘濟(jì) 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué), 東華大學(xué)