[发明专利]基于碳纳米管和胶体颗粒的复合纤维和不对称纤维

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备复合纤维的方法，该复合纤维包括两个不同的具有不同成分和物理化学性能以及受控的均匀厚度的层，所述两个层之一由碳纳米管组成，所述复合纤维由碳纳米管纤维和给定浓度的用于构成第二层的胶体颗粒的第一溶液获得。

本发明还涉及由所述方法获得的纤维以及它们的应用。

UIPAC标准以一般术语将胶体颗粒定义为尺寸包括在1纳米和几微米之间的颗粒。本发明使用术语“胶体颗粒”时，就指的是这种定义。

用作织物或复合填充剂的天然或合成纤维通常用添加剂涂覆。该涂层的目的是用来改善纤维的表面性质或者赋予其特定的功能。在某些情况下，可以使用术语粘合剂。例如，应用于从喷丝头喷出的细丝的所谓的“织物”粘合包括沉积粘合剂，该粘合剂能确保细丝彼此之间的粘合，减少磨损，促进后续的操作(编织)，并且能防止静电荷的形成。存在其中纤维必须用特定化合物覆盖的其它情况。例如，可以仅通过用染色剂涂覆纤维而对其进行染色。通过用导电聚合物对其进行涂覆可以使最初的绝缘纺织纤维导电。可以通过用含有香料的囊(capsule)涂覆衣服的纤维而使其外表发出香味。

传统的纤维涂覆可获得其表面的均匀、对称的涂层。

然而，在某些情况下，优选以不同的方式将添加剂加入到纤维中，例如，以不对称方式加入到在纤维的表面上。提出了这些不同的条件以改善纤维的性能，使这些纤维具有新的功能。

在本发明的具体上下文中，用作基体材料的纤维是碳纳米管纤维。

碳纳米管的结构、电学和力学性能使得它们对于许多应用来说是很有前途的材料：复合物、机电致动器、电缆、电阻线、化学检测器、储氢器、电子发射显示器、能量转换器、电子组件、电极、电池、催化介质等。

通过FR 2805179和WO 01632028中所描述的纺丝方法可以将碳纳米管制成带状物或者纤维。这种方法包括使纳米管均匀地分散在液体环境中。

一旦被分散，通过将分散体注入到另一种使纳米管凝聚的液体中，就能使这些纳米管再集结成带或前纤维(pré-fibre)形状。

带、前纤维或最终纤维(final fibre)可以通过湿法拉伸来处理，以便改善纳米管的方向。这些再成形方法在专利FR 0110611中描述为在对于凝结聚合物来说具有更高或更低的亲合力的溶剂中动态或静态地拉伸纤维，以改善该纤维的结构和物理性能。

这些纤维的性能，与任何其它纤维一样，关键取决于它们的组分的特性和排列方式。

碳纳米管能制成一种能够在机械和电水平响应于电刺激、机械刺激、化学刺激或生物刺激的“智能”材料。纳米管纤维可以制成一种特别适合于突出这些功能的结构。事实上，纳米管纤维构成了含有高比例取向的纳米管的宏观物体。因此，可以制成具有比其它纳米管组件，例如纳米管纸张，性能更优越的致动器。也可以制成比传统的用传统碳纤维制成的微电极更敏感的微电极。

基于“智能材料”的传感器或致动器经常用于器件中来放大它们的形变。最普通的实例是用压电材料制成的双金属片。这些双金属片由活性压电层和被动惰性层(couche passive inerte)组成。当压电片拉伸或收缩时，双金属片急剧地弯曲。微观上一个非常轻微的形变就可以被极大地放大并且宏观可见。同样地，存在用非常薄的金属板制成的传感器。当在金属片的表面之一上吸附特殊的化学成分时，其会急剧地弯曲。这种效果是由调整对薄板的两表面上的不同表面约束造成的。与在压电双金属片的实例中一样，力学效果由于系统的不对称性被极大地放大。这种弯曲的显著放大来自轻微的拉伸或者收缩形变。

这些用作传感器或致动器的双金属片可以用纳米管薄膜来制造。然而，受益于纤维中纳米管的取向和密度，纤维的机电和电化学性能要优于薄膜的机电和电化学性能，所以这些纤维的使用能改善整体的本征特性(固有特性)。另外，这使得可以制造非常小的器件，而这些器件可以潜在地用作微传感器或微致动器。

这些双金属片的制备与纳米管纤维的不对称结构相关。

为了以不对称方式来覆盖碳纳米管纤维，已经尝试了一些方法。