[实用新型]一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置，具体说，是涉及一种以碳纳米管纤维为芯层、以导电聚合物为皮层的皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的制备装置。

背景技术

碳纳米管自1991年被发现开始便成为科学研究的热点，其研究现已涉及到化学、物理、生物、微电子、材料学等多个领域。碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，是由单层或多层石墨层结构围绕中心按一定螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，其具有高强度、超轻量的力学特性以及独特的电学性质。为了能够实现碳纳米管在各个领域的应用，必须将碳纳米管经过组装或与其他材料复合形成宏观尺度的材料，其中碳纳米管纤维技术是最具潜力并且成果显著的方向之一。

目前碳纳米管纤维的制备方法有干法纺丝法，直接纺丝法以及湿法纺丝方法。干法纺丝方法是先采用化学气相沉积法生长出微米级甚至毫米级碳纳米管阵列，再从阵列中抽出一定宽度的碳纳米管薄膜，然后通过加捻技术捻成纤维，这种方法又称为两步法。直接纺丝法是在高温气相反应合成连续碳纳米管的过程中直接通过加捻制备碳纳米管纤维，又称为一步法。湿法纺丝则是将碳纳米管粉体与高聚物混合成分散液，再经过挤压通过凝固浴或者利用静电纺丝方法制备，这种方法制备的碳纳米管纤维含碳量较低，且力学及电学性能均较前两种方法差。

干法纺丝和直接纺丝法方法获得的碳纳米管纤维强度（大于500MPa）和柔韧性均可与目前商用天然纤维或化学纤维相媲美，且其优异的导电性能更赋予了碳纳米管纤维在智能纺织品领域的应用价值。由于碳纳米管纤维直径在5μm～20μm，使单根碳纳米管纤维所承受的最大拉力仅为十几厘牛，甚至几个厘牛，且纤维表面碳纳米管耐磨性较差，并不适合直接织造，因而将碳纳米管纤维与聚合物复合成为进一步应用碳纳米管纤维的必要条件。如中国专利CN101967699B中提到的高性能碳纳米管纤维的制备方法，这种方法是在采用干法纺丝制备碳纳米管纤维的过程中将阵列中抽取的碳纳米管薄膜以热固型聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液浸润，经加捻后形成碳纳米管/聚酰胺酸复合纤维，对其进行固化处理最终形成碳纳米管/聚酰亚胺复合纤维。这种复合纤维的直径较碳纳米管纤维直径并未有太大改变，复合纤维中聚酰亚胺的体积百分比仅为5%以下，且聚酰亚胺聚合物成网状结构分散在复合纤维中。

实用新型内容

针对现有技术所存在的上述问题和应用需求，本实用新型的目的是提供一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的装置，包括线轴Ⅰ、设有穿孔的容器、加热装置、导纱装置和线轴Ⅱ，由线轴Ⅰ抽出的纤维依次经过设有穿孔的容器、加热装置和导纱装置固定在线轴Ⅱ上，所述的线轴Ⅰ和线轴Ⅱ均连接有速控电机。

作为一种优选方案，所述的线轴Ⅰ、设有穿孔的容器、加热装置、导纱装置和线轴Ⅱ依次自下至上垂直排布，所述的穿孔设置在容器底部的中心位置。

所述穿孔的直径优选为30μm～100μm。

所述容器的材质为不锈钢、玻璃或者聚四氟乙烯等耐腐蚀塑料。

所述的容器和加热装置可以为一组或多组。

使用上述装置制备皮芯结构导电碳纳米管复合纤维的方法，包括如下步骤：

a)配制导电聚合物溶液，备用；

b)将从线轴Ⅰ抽出的碳纳米管纤维由穿孔穿过容器、依次经过加热装置和导纱装置后固定在线轴Ⅱ上；

c)将步骤a)配制的导电聚合物溶液加入容器中，开启速控电机，使碳纳米管纤维以匀速经过导电聚合物溶液，并同时开启加热装置，使形成的复合纤维快速固化；

d)使固化后的复合纤维经过导纱装置被收集在线轴Ⅱ上。

所述的导电聚合物溶液的质量百分比浓度推荐大于1%，优选为5%～10%。

所述的导电聚合物溶液是由聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氨酯、尼龙、聚酯、纤维素、蚕丝中的至少一种与水、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、溴化乙烯基三苯基鳞（又称为Schweizer试剂）中的至少一种配制而成。

所述的导电聚合物溶液中还可适当的加入纳米金属颗粒（例如：纳米银颗粒）以提高复合纤维的导电性。

作为一种优选方案，步骤c)，控制容器中的导电聚合物溶液的深度始终保持在5mm，且控制碳纳米管纤维以0.5mm/s～1mm/s的速度匀速经过导电聚合物溶液，及控制加热区域的温度为60～80℃。