專利名稱：碳納米管紡紗機(jī)及采用該碳納米管紡紗機(jī)制備碳納米管紗線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納米領(lǐng)域，具體涉及一種碳納米管紡紗機(jī)，以及采用該碳納米管紡紗機(jī)制備碳納米管紗線的方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是一種典型的一維納米材料，具有完美的碳六邊形連接結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度，超輕量的力學(xué)特性以及獨(dú)特的石墨層結(jié)構(gòu)形成的特殊電學(xué)性質(zhì)，其獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)和特殊電學(xué)性質(zhì)一直深受國內(nèi)外科學(xué)工作者的關(guān)注。如今，輕質(zhì)高強(qiáng)的材料技術(shù)已經(jīng)在某種程度上成為衡量國家工業(yè)水平的主要標(biāo)志之一，所以碳納米管材料獨(dú)特的輕質(zhì)高強(qiáng)特性注定要成為研究輕量材料主要方向之一，另外，與碳纖維相比，碳納米管的形成過程簡(jiǎn)單，節(jié)能，無毒低污染，曾被譽(yù)為“將是價(jià)格便宜、環(huán)境友好并為人類創(chuàng)造奇跡的材料”。從宏觀角度講，需要將微觀的碳納米管束組裝成宏觀的碳納米管紗線，才能在更多領(lǐng)域充分發(fā)揮碳納米管的性能，故而碳納米管紗線也就成為研究熱點(diǎn)之一。目前常用的碳納米管紗線制備的方法主要有如下的三種
直接紡絲法，該方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紗線，利用該工藝目前已經(jīng)可以得到公斤級(jí)碳納米管紗線，不過由此方法得到紗線表面缺陷較多，雜質(zhì)偏高，碳納米管束在紗線內(nèi)部呈雜亂無章狀排列，紗線強(qiáng)度偏低。溶液紡絲法，該方法是從碳納米管分散液中紡出連續(xù)碳納米管紗線的方法。其原理之一是將分散有碳納米管的溶液注入至另一凝固浴溶液中，利用凝固浴和分散劑的置換，形成連續(xù)碳納米管與凝固浴溶液成分的復(fù)合纖維紗線。此種方法得到碳納米管紗線碳納米管含量低，力學(xué)性能不穩(wěn)定。碳管陣列紡絲法，該方法從碳納米管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)捻成碳納米管紗線。此種方法制得的碳納米管紗線，其實(shí)際可應(yīng)用的連續(xù)穩(wěn)定的碳納米管紗線力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)前兩種較高，但是目前還沒有有效手段可以連續(xù)大批量制得，限制了其工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)用。因此，迫切需要開發(fā)一種連續(xù)制備碳納米管紗線的方法，可以在保證優(yōu)良力學(xué)性能的同時(shí)，連續(xù)大批量制得具有長(zhǎng)纖維長(zhǎng)度的碳納米管紗線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米管紡紗機(jī)，其通過設(shè)置假捻裝置對(duì)通過其的碳納米管薄膜加捻，形成帶有更高力學(xué)強(qiáng)度的碳納米管紗線。本發(fā)明的目的還在于提供一種采用上述碳納米管紡紗機(jī)制備碳納米管紗線的方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的之一，本發(fā)明提供一種碳納米管紡紗機(jī)，該紡紗機(jī)包括
收容裝置，用于收容碳納米管陣列；牽伸系統(tǒng)，用于從所述收容裝置中的碳納米管陣列中拉出碳納米管薄膜；
假捻裝置，設(shè)置在所述收容裝置和牽伸系統(tǒng)之間，用于對(duì)碳納米管薄膜假捻，以使位于收容裝置與假捻器之間的碳納米管薄膜聚集成束并具有一定的捻度，且在經(jīng)過假捻裝置后捻度消失以形成碳納米管紗線；
加捻收集系統(tǒng)，用于纏繞所述碳納米管紗線。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述假捻裝置包括假捻器、配合驅(qū)動(dòng)假捻器的軸承以及為所述假捻器和軸承提供安裝基座的安裝座。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述牽伸系統(tǒng)包括成對(duì)設(shè)置的輸出羅拉及輸出壓輥。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述加捻收集系統(tǒng)包括鋼領(lǐng)、鋼絲鉤及紡紗錠子。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳納米管紡紗機(jī)包括設(shè)置在收容裝置和假捻裝置 間的導(dǎo)紗輥，所述導(dǎo)紗輥上設(shè)置有浸潤裝置。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述加捻收集系統(tǒng)還用于對(duì)碳納米管紗線進(jìn)行加捻和收集，形成的碳納米管紗線具有高捻度。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳納米管薄膜經(jīng)過假捻裝置假捻后形成的碳納米管紗線的強(qiáng)力大于牽伸系統(tǒng)從碳納米管陣列中拉出碳納米管薄膜所需的力。為實(shí)現(xiàn)上述另一發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述的碳納米管紡紗機(jī)制備碳納米管紗線的方法，該方法包括以下步驟
a.將從碳納米管陣列中拉出的碳納米管薄膜與假捻裝置連接，然后使假捻器工作對(duì)薄膜進(jìn)行加捻，使陣列和假捻器之間的薄膜聚集成束并具有一定的捻度；
b.將聚集成束的碳納米管薄膜與普通紗線相連，并將紗線穿過所述假捻裝置、牽伸系統(tǒng)，并連接至所述紡紗錠子配套的紗筒上；
c.開啟所述碳納米管紡紗機(jī)，在牽伸系統(tǒng)拉伸下，對(duì)通過假捻裝置的碳納米管薄膜假捻，制得碳納米管紗線。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟a中，假捻裝置處于工作狀態(tài)，所述碳納米管紡紗機(jī)除假捻裝置之外的部件處于非工作狀態(tài)。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳納米管紗線的直徑大于等于5微米。本發(fā)明的有益效果是通過在碳納米管紡紗機(jī)中設(shè)置假捻裝置對(duì)通過其的碳納米管薄膜假捻，形成帶有較高力學(xué)強(qiáng)度的碳納米管紗線，并且形成的碳納米管紗線的力學(xué)強(qiáng)度大于制備過程中從碳納米管陣列中抽出碳納米管薄膜所需的力，確保了碳納米管紗線穩(wěn)定連續(xù)的生產(chǎn)，可以連續(xù)大批量得到長(zhǎng)纖維長(zhǎng)度的碳納米管紗線。


圖I是本發(fā)明碳納米管紡紗機(jī)一具體實(shí)施方式
中的結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖I所示的碳納米管紡紗機(jī)又一角度的結(jié)構(gòu)示意 圖3是由多個(gè)圖I所示的碳納米管紡紗機(jī)組成的集成碳納米管紡紗機(jī)；
圖4是本發(fā)明碳納米管紡紗機(jī)一具體實(shí)施方式
中假捻裝置的剖面 圖5是本發(fā)明碳納米管紡紗機(jī)一具體實(shí)施方式
中輸出羅拉和輸出壓輥的配合示意圖；圖6是本發(fā)明碳納米管紗線制備方法制備的碳納米管紗線通過假捻裝置前的電鏡形貌圖；圖7是本發(fā)明碳納米管紗線制備方法制備的碳納米管紗線通過假捻裝置后的電鏡形貌圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。參圖I、圖2和圖4，分別為本發(fā)明的碳納米管紡紗機(jī)的兩個(gè)不同角度的結(jié)構(gòu)示意圖及假捻裝置的剖視圖，該碳納米管紡紗機(jī)包括收容裝置10，假捻裝置12，牽伸系統(tǒng)及加捻收集系統(tǒng)。其中，收容裝置10用于放置碳納米管陣列20，本實(shí)施方式中，碳納米管薄膜 22是由碳納米管陣列20中直接拉出，該薄膜具有高取向等特點(diǎn)；碳納米管薄膜22的寬度可以根據(jù)需要得到碳納米管紗線21的粗細(xì)自由控制，并且可以采用三維升降臺(tái)(圖中未示)精確控制收容裝置10的位置，進(jìn)而控制碳納米管陣列的位置。導(dǎo)紗輥11用于引導(dǎo)碳納米管薄膜22進(jìn)入假捻裝置12，所述導(dǎo)紗輥11設(shè)置在收容裝置10和假捻裝置12之間；所述假捻裝置12用于對(duì)碳納米管薄膜22進(jìn)行假捻，使二維的碳納米管薄膜22變成一維線性的碳納米管紗線21，同時(shí)使碳納米管紗線21的力學(xué)性能增強(qiáng)；假捻裝置12包括假捻器121、配合驅(qū)動(dòng)假捻器121的軸承122以及為所述假捻器121及軸承122提供安裝基座的安裝座123。此時(shí)，由于碳納米管薄膜22經(jīng)過假捻器12假捻后形成的紗線21的強(qiáng)力大于牽伸系統(tǒng)從碳納米管陣列20中拉出碳納米管薄膜22所需的力，這樣就可以保證碳納米管薄膜22可以不斷地從碳納米管陣列中被拉出，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。作為優(yōu)選的實(shí)施方式，導(dǎo)紗輥11上還設(shè)置有浸潤裝置(圖中未示)，所述浸潤裝置通過對(duì)經(jīng)過導(dǎo)紗輥11的碳納米管薄膜進(jìn)行液滴浸潤，可以使碳納米管薄膜22產(chǎn)生一定的預(yù)收縮的作用，使其更易變?yōu)橐痪S線狀的碳納米管紗線21 ;并且，本實(shí)施例中液滴浸潤采用的是可以收縮改性碳納米管的液體，如水、乙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)等試劑，或者無機(jī)鹽、聚合物溶液，所述液滴浸潤過程可由注射泵精確控制，實(shí)現(xiàn)液滴浸潤的穩(wěn)定性和連續(xù)性。參圖I和圖5，在本實(shí)施方式中，牽伸系統(tǒng)用于將碳納米管薄膜22從碳納米管陣列20中拉出，所述的牽伸系統(tǒng)包括成對(duì)設(shè)置的輸出羅拉14及輸出壓輥13，輸出壓輥13呈中間凸出狀，這樣輸出羅拉14和輸出壓輥13配合時(shí)可以產(chǎn)生足夠大的牽引力。導(dǎo)絲鉤15用于引導(dǎo)碳納米管紗線21。所述加捻收集系統(tǒng)包括鋼領(lǐng)17、鋼絲鉤16及紡紗錠子18 ;鋼絲鉤16在碳納米管紗線21的牽引下，繞鋼領(lǐng)17做圓周軌道運(yùn)動(dòng)，將碳納米管紗線21不斷地纏繞至紡紗錠子18上的紗筒上(圖中未示)，并且鋼領(lǐng)17可以沿豎直軸向做升降運(yùn)動(dòng)，用于調(diào)整纏繞在紗筒上的碳納米管紗線21的成型距離、成型錐度等纏繞狀態(tài)，同時(shí)紡紗錠子18還對(duì)碳納米管紗線進(jìn)行加捻，以制得最終成品。由于碳納米管紗線非常細(xì)，所以導(dǎo)絲鉤質(zhì)量為微克級(jí)，并且紗筒卷裝碳納米管紗線21的卷裝量控制在(TlOg。在上述的實(shí)施方式中，是由集成動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)所述碳納米管紡紗機(jī)的各個(gè)部件，如假捻裝置12，輸出羅拉13等。本發(fā)明的碳納米管紡紗機(jī)可以用于生產(chǎn)直徑大于等于5微米的碳納米管紗線，捻度可控范圍為(Γ①，同時(shí)由于碳納米管紗線的直徑非常細(xì)，所以實(shí)際生產(chǎn)中捻度控制在較高水平，通常在5000T/m以上。并且本實(shí)施例中的碳納米管紡紗機(jī)各部件大致呈立式排列，可以大大減小占地面積，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以集成多個(gè)所述的碳納米管紡紗機(jī)，并由同一控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，形成圖3所示的集成碳納米管紡紗機(jī)，便于實(shí)現(xiàn)碳納米管紗線的批量化生產(chǎn)，為碳納米管紗線的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。下面介紹一種利用本發(fā)明的碳納米管紡紗機(jī)生產(chǎn)碳納米管紗線的方法的實(shí)施例。首先從碳納米管陣列中直接抽出高取向的碳納米管薄膜，然后將得到的碳納米管薄膜固定到假捻裝置上，開啟假捻裝置進(jìn)行初次加捻，使位于假捻裝置和碳納米管陣列之間的碳納米管薄膜聚集成束，并具有一定的捻度，然后關(guān)閉假捻裝置，將此時(shí)聚集成束的碳納米管薄膜與普通紗線相連，普通紗線起到的作用是將聚集成束的碳納米管薄膜牽引使其通過假捻裝置和牽伸系統(tǒng)，最后將其纏繞到與紡紗錠子配套的紗筒上。接著，啟動(dòng)整個(gè)碳納米管紡紗機(jī)，在輸出羅拉和輸出壓輥的配合牽引作用下，將碳納米管薄膜不斷地從碳納米管陣列中拉出，通過導(dǎo)紗輥的導(dǎo)引及浸潤，進(jìn)入假捻裝置進(jìn)行假捻。所謂假捻分為靜態(tài)假捻與動(dòng)態(tài)假捻兩種，在靜態(tài)假捻中，紗線的兩端被固定握持，在兩個(gè)握持點(diǎn)之間對(duì)紗線施加捻回力，此時(shí)在捻回力作用點(diǎn)兩邊的紗線形成捻度相同但捻向相反的捻回，一旦所述捻回力撤除時(shí)，所述的捻回會(huì)自動(dòng)抵消，回到無捻狀態(tài)；而在動(dòng)態(tài)假捻中，紗線被兩個(gè)握持點(diǎn)相對(duì)固定，但同時(shí)紗線可以以一定的速度穿過所述的兩個(gè)握持點(diǎn)，當(dāng)在這兩個(gè)握持點(diǎn)間施加捻回力時(shí)，·由于在同一時(shí)刻時(shí)，在施加捻回力點(diǎn)之前的捻回等于施加捻回力點(diǎn)之后的捻回，并且單位內(nèi)，施加捻回力點(diǎn)之后的紗線捻回等于在單位時(shí)間內(nèi)捻回力給予其的捻回加上由捻回力點(diǎn)之前的紗線給予其的捻回，根據(jù)業(yè)界公知，此時(shí)計(jì)算可得經(jīng)過捻回力點(diǎn)后的紗線的捻回為零。在工業(yè)生產(chǎn)中，較多利用了動(dòng)態(tài)假捻的原理，同樣本發(fā)明的假捻裝置同樣應(yīng)用了所述的動(dòng)態(tài)假捻原理。當(dāng)碳納米管紗線逐漸通過假捻裝置后，捻回自動(dòng)抵消，碳納米管紗線回到無捻狀態(tài)。然后碳納米管紗線依次通過導(dǎo)紗鉤，在鋼絲鉤及鋼領(lǐng)的作用下被纏繞至紡紗錠子的紗筒上，通過紡紗錠子旋轉(zhuǎn)對(duì)碳納米管紗線進(jìn)行加捻，形成具有帶有捻回的碳納米管紗線。參圖6和圖7分別為本發(fā)明中碳納米管紗線通過假捻裝置前的電鏡形貌圖及通過假捻裝置后紗線的電鏡形貌圖；從其對(duì)比可以看出，在通過假捻裝置后，碳納米管紗線的捻回自動(dòng)抵消，回到無捻狀態(tài)，碳納米管紗線微觀排列較為有序，結(jié)構(gòu)更加緊密，從而間接說明其力學(xué)性能更加優(yōu)異。同時(shí)由于此時(shí)碳納米管紗線力學(xué)強(qiáng)度較高，保證在被牽伸系統(tǒng)牽伸時(shí)不被拉斷，使得碳納米管紗線的生產(chǎn)可以連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，以制得長(zhǎng)纖維長(zhǎng)度的碳納米管紗線。在實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)中，通過本發(fā)明的碳納米管的制備方法，可以連續(xù)大批量制得單絲長(zhǎng)度達(dá)到百米級(jí)甚至千米級(jí)的碳納米管紗線，在一定程度上解決了目前碳納米管陣列紡紗的瓶頸技術(shù)。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方 式。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管紡紗機(jī)，其特征在于，該紡紗機(jī)包括 收容裝置，用于收容碳納米管陣列； 牽伸系統(tǒng)，用于從所述收容裝置中的碳納米管陣列中拉出碳納米管薄膜； 假捻裝置，設(shè)置在所述收容裝置和牽伸系統(tǒng)之間，用于對(duì)碳納米管薄膜假捻，以使位于收容裝置與假捻器之間的碳納米管薄膜聚集成束并具有一定的捻度，且在經(jīng)過假捻裝置后捻度消失以形成碳納米管紗線； 加捻收集系統(tǒng)，用于纏繞所述碳納米管紗線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳納米管紡紗機(jī)，其特征在于所述假捻裝置包括假捻器、配合驅(qū)動(dòng)假捻器的軸承以及為所述假捻器和軸承提供安裝基座的安裝座。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳納米管紡紗機(jī)，其特征在于所述牽伸系統(tǒng)包括成對(duì)設(shè)置的輸出羅拉及輸出壓棍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳納米管紡紗機(jī)，其特征在于所述加捻收集系統(tǒng)包括鋼領(lǐng)、鋼絲鉤及紡紗錠子。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳納米管紡紗機(jī)，其特征在于所述碳納米管紡紗機(jī)包括設(shè)置在收容裝置和假捻裝置間的導(dǎo)紗輥，所述導(dǎo)紗輥上設(shè)置有浸潤裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳納米管紡紗機(jī)，其特征在于所述加捻收集系統(tǒng)還用于對(duì)碳納米管紗線加捻。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳納米管紡紗機(jī)，其特征在于所述碳納米管薄膜經(jīng)過假捻裝置假捻后形成的碳納米管紗線的強(qiáng)力大于牽伸系統(tǒng)從碳納米管陣列中拉出碳納米管薄膜所需的力。
8.一種應(yīng)用權(quán)利要求I至7之任意一項(xiàng)所述的碳納米管紡紗機(jī)制備碳納米管紗線的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 a.將從碳納米管陣列中拉出的碳納米管薄膜通過假捻裝置加捻，使其聚集成束并具有一定的搶度； b.將聚集成束的碳納米管薄膜與普通紗線相連，并將紗線穿過所述假捻裝置、牽伸系統(tǒng)，并固定至所述加捻收集系統(tǒng)上； c.開啟所述碳納米管紡紗機(jī)，在牽伸系統(tǒng)拉伸下，對(duì)通過假捻裝置的碳納米管薄膜假捻，制得碳納米管紗線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于步驟a中，假捻裝置處于工作狀態(tài)，所述碳納米管紡紗機(jī)除假捻裝置之外的部件處于非工作狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于所述碳納米管紗線的直徑大于等于5微米。
全文摘要
一種碳納米管紡紗機(jī)，用于將從碳納米管陣列拉出的碳納米管薄膜紡制成碳納米管紗線，該紡紗機(jī)包括用于放置碳納米管陣列的收容裝置、對(duì)薄膜進(jìn)行浸潤使其收縮的浸潤裝置、對(duì)碳納米管薄膜假捻的假捻裝置、將碳納米管薄膜從碳納米管陣列中拉出的牽伸系統(tǒng)、加捻收集系統(tǒng)、以及集成碳納米管紡紗機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)架。本發(fā)明的碳納米管紡紗機(jī)中利用假捻裝置的假捻原理，對(duì)通過其的碳納米管薄膜進(jìn)行假捻，可以制得力學(xué)性能更好，并且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的碳納米管紗線，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大批量的工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)D01H1/11GK102953171SQ201110252769
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者李清文, 沈曉飛, 趙靜娜, 張驍驊 申請(qǐng)人:蘇州捷迪納米科技有限公司