一种弹簧状碳纳米管纤维及其制备方法和用途技术

本发明专利技术属于纳米技术领域，具体为一种弹簧状碳纳米管纤维及其制备方法和用途。本发明专利技术以气相沉积法合成高度取向的可纺碳纳米管阵列；利用加捻工艺得到初级碳纳米管纤维，并将数十根初级碳纳米管纤维排成一股，进一步加捻得到弹簧状碳纳米管纤维。由本发明专利技术得到的弹簧状碳纳米管纤维具有大量纳米级和微米级的螺旋管道结构；不会发生打结和自缠绕；该纤维具有很高的拉伸应变，较高的力学强度以及优异的导电性能。该纤维对挥发性溶剂与蒸气同时具有转动与收缩响应，其转动响应快，转速高，旋转圈数大，扭转力矩大，其收缩响应迅速，收缩力大，旋转与收缩响应重复性好。可应用于溶剂驱动、能量转换、智能织物、感应器件等。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于纳米
，具体为。本专利技术以气相沉积法合成高度取向的可纺碳纳米管阵列；利用加捻工艺得到初级碳纳米管纤维，并将数十根初级碳纳米管纤维排成一股，进一步加捻得到弹簧状碳纳米管纤维。由本专利技术得到的弹簧状碳纳米管纤维具有大量纳米级和微米级的螺旋管道结构；不会发生打结和自缠绕；该纤维具有很高的拉伸应变，较高的力学强度以及优异的导电性能。该纤维对挥发性溶剂与蒸气同时具有转动与收缩响应，其转动响应快，转速高，旋转圈数大，扭转力矩大，其收缩响应迅速，收缩力大，旋转与收缩响应重复性好。可应用于溶剂驱动、能量转换、智能织物、感应器件等。【专利说明】
本专利技术属于纳米
，具体涉及。
技术介绍
环境敏感变形材料在驱动器件、感应器件、人工肌肉和智能机器人等领域具有广泛的应用前景。其中，对温度、pH、湿度、光照和溶剂等环境刺激具有变形响应性的敏感材料，如水凝胶、液晶高分子和形状记忆高分子等，引起了学界和工业界的广泛关注，并取得了一系列积极进展。这类合成高分子材料普遍具有高响应形变的优点，但其较慢的响应速率、较小的响应应力以及单一不可控的变形响应，极大地限制了他们的实际应用。 因为独特的一维纳米结构和优异的力学、电学和热学性能，碳纳米管被广泛研究作为一类高性能纳米材料，具有广阔的应用前景。将碳纳米管组装成宏观结构，如纤维、薄膜等，是拓展其应用的一个重要手段。其中，碳纳米管纤维成为了一个非常重要的研究方向。碳纳米管纤维是由成千上万沿轴向螺旋排列的碳纳米管所构成，具有高比表面积、高力学性能、高导电特性等优点，并对很多溶剂具有很好的浸润性，该类材料在智能材料领域具有良好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决传统的环境敏感材料对环境刺激变形响应性存在的较慢的响应速率、较小的响应应力以及单一不可控的变形响应等问题,提供一种对挥发性溶剂或蒸气具有快速可逆的转动和收缩响应的弹簧状碳纳米管纤维及其制备方法和用途。 本专利技术从化学气相沉积法合成的碳纳米管阵列直接纺出初级碳纳米管纤维；通过加捻工艺对多根初级纤维进行螺旋构筑，制备得弹簧状碳纳米管纤维；该纤维对挥发性溶剂与蒸气同时具有转动与收缩响应，其转动响应快，转速高，旋转圈数大，扭转力矩大；其收缩响应迅速,收缩力大；转动与收缩响应重复性好。 本专利技术的弹簧状碳纳米管纤维的制备方法，具体步骤为:(1)通过化学气相沉积法合成可用于纺丝的碳纳米管阵列；(2)干法纺丝获得初级碳纳米管纤维；(3)对多根初级纤维进一步加捻，获得弹簧状碳纳米管纤维。 本专利技术的步骤(2)中，所述干法纺丝样品台的转速与收集滚筒转速之比为0-10000，优选转速之比为1-2000，更优选转速之比为10-1000。 本专利技术的步骤(3)中，所述初级碳纳米管纤维的数量大于1，长度大于I cm，加捻时电机的转速大于I r/min ;优选初级碳纳米管纤维的数量为5-100,长度为2-50 cm,加抢时电机的转速为5-300 r/min ;更优选初级碳纳米管纤维的数量为5-50，长度为5-20 cm,加捻时电机的转速为50-500 r/min。 由本专利技术制备的上述弹簧状纤维中，初级碳纳米管纤维的螺旋角度为0-45°，优选螺旋角度为15-45°，该弹簧状纤维内部存在丰富的纳米和微米尺度的多级孔隙，为溶剂浸润提供了大量空间；弹簧状纤维结构稳定，不发生自缠绕，且具有良好的力学强度和柔性；弹簧状纤维对于挥发性溶剂与蒸气有快速可逆的转动与收缩响应。 本专利技术制备的上述弹簧状碳纳米管纤维，其内部具有大量纳米级与微米级的管道；由于多级管道的毛细作用，该类弹簧状纤维对于挥发性溶剂和蒸气具有快速、可逆和高应力(旋转)输出的转动与收缩响应；旋转与收缩响应重复性好。具体地说，上述弹簧状碳纳米管纤维，接触挥发性溶剂或蒸气时，同时发生转动与收缩，待溶剂挥发后，纤维回复至初始状态，该过程可重复五十次以上没有明显的衰减。该类材料可应用于溶剂快速响应驱动，制备感应器件、制备能量转换器件、制备智能响应织物等领域。 本专利技术的优点在于:弹簧状碳纳米管纤维内部存在大量纳米级与微米级的管道，提供了挥发性溶剂浸润的空间，通过多级管道的毛细作用，弹簧状纤维在溶剂浸润时产生了极为快速的收缩响应(响应时间〈45 ms)，收缩力达到1.5 MPa，是自然界骨骼肌收缩力的15倍；转动响应转动圈数达到2050 r/m，是基于压电陶瓷和导电高分子扭转器件转数的14倍，转速达到每米6361r/min,初始扭转力矩达到0.63 N.m/kg,与商业化的电机相近；该收缩与转动响应具有良好的可重复性；解决了传统合成高分子类环境响应材料较慢的响应速率、较小的响应应力以及单一不可控的变形响应等问题。本方法制备简单，可以推广应用以制备各种高性能的环境响应性变形材料。此外，该弹簧状碳纳米管纤维在溶剂驱动、能量转换和感应器件等领域具有很好的应用前景。 【专利附图】【附图说明】 图1.弹簧状碳纳米管纤维对溶剂的收缩和旋转响应示意图。 图2.可纺碳纳米管阵列制备初级碳纳米管纤维装置示意图。 图3.弹簧状碳纳米管纤维的制备过程示意图。 图4.弹簧状碳纳米管纤维的电镜照片。其中，(a-c)弹簧状碳纳米管纤维在加捻过程中形貌演变；(d-f)弹簧状碳纳米管纤维的不同放大倍数的SEM照片。 图5.弹簧状碳纳米管纤维对乙醇的收缩和旋转响应表征。其中，(a)弹簧状纤维接触乙醇后的收缩和回复曲线；(b)弹簧状纤维对乙醇的收缩响应力与初级螺旋角的关系；(C)弹簧状纤维对乙醇的收缩响应力与循环次数的关系；(d)左旋弹簧状纤维乙醇驱动的旋转圈数、转速与时间的关系(转速已换算成每米);(e)弹簧状纤维对乙醇的旋转响应与循环次数的关系；(f)弹簧状纤维的收缩与转动响应与接触的乙醇水溶液中乙醇浓度的关系O 图6.弹簧状碳纳米管纤维用于敏感器件图示。其中，(a，b)左旋与右旋弹簧状纤维分别热定型得到的左旋弹簧对溶剂蒸气的收缩与伸长形变响应示意图(C)将左旋弹簧状纤维构筑的弹簧置于二氯甲烷液面上，V对的收缩形变的影响；(d)水、乙醇、丙酮和二氯甲烷溶剂蒸气中左旋弹簧的收缩形变率与V的关系；(e)在i/=4.5 cm时收缩形变响应的可重复性。 图7.弹簧状碳纳米管纤维用于制备能量转换器件图示。其中，(a)弹簧状碳纳米管纤维用于制备交流发电机示意图；(b)弹簧状碳纳米管纤维接触乙醇后发电机的输出电流-时间曲线；(C)图7 (b)中灰色区域的放大图。 图8.弹簧状碳纳米管纤维用于智能织物图示。其中，(a)弹簧状纤维编织成的智能织物的快速响应实验的示意图；(b)纤维中点上升高度与上升速度对时间的关系；(c，d)智能织物的光学与SEM照片；(e-h)智能织物接触乙醇后抬起一个质量为240 mg的铜质小球的照片。 【具体实施方式】 弹簧状碳纳米管纤维通过多根初级碳纳米管纤维加捻制备，初级碳纳米管通过干法纺丝制备。首先可纺碳纳米管阵列通过化学气相沉积法合成，阵列固定于可旋转样品台，从中拉出碳纳米管带，固定于收集滚筒(如图2)。打开样品台和滚筒的马达得到初级螺旋碳纳米管纤维。 当可纺碳纳米管阵列宽度为I cm,样品台转速为O r/min,滚筒转速为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弹簧状碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于步骤具体为：（1）通过化学气相沉积法合成可用于纺丝的碳纳米管阵列；（2）干法纺丝获得初级碳纳米管纤维；（3）对多根初级纤维进一步加捻，获得弹簧状碳纳米管纤维。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭慧胜，陈培宁，徐一帆，何思斯，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31