[发明专利]用于制备包含碳纳米管的纱线的方法和由此制备的纱线

说明书

本发明提供了用于制备纱线的方法，其包括：将包含碳源和催化剂的原料引入到具有加热装置的反应室中；利用由加热装置供应的热能在反应室的加热部中使碳源转化成多个碳纳米管；以及使多个碳纳米管在垂直方向上生长以通过碳纳米管之间的相互作用形成纱线。

技术领域

本发明涉及用于制备包含碳纳米管的纱线的方法和由此制备的纱线。

背景技术

碳纳米管(Carbon nanotube，CNT)，即一种碳同位素，是直径为几纳米至几十纳米且长度为几百微米至几毫米的物质。自从Dr.Iijima于1991年在杂志Nature上就此发表以来，由于碳纳米管优异的热特性、电特性和物理特性以及高纵横比，已经在各个领域中进行了研究。

碳纳米管的这样的固有特性可归因于碳的sp²键。其比铁更强，比铝更轻，并且具有类似于金属的电导率。根据纳米管的壁数，碳纳米管分为单壁碳纳米管(SWNT)、双壁碳纳米管(DWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。根据不对称性/手性，其也分为锯齿形结构、扶手椅形结构和手性结构。

碳纳米管本身的机械强度优异。特别地，拉伸强度超过100GPa。然而，由于合成的碳纳米管为短的短纤维，因此合成的碳纳米管在其应用方面受限。为了解决该问题，近年来，已经大量研究了用于通过将短的碳纳米管连接来制备长纤维的碳纳米管纱线的方法。

作为用于制备包含碳纳米管的纤维型纱线的方法，已知有簇(forest)纺丝法和直接纺丝法。在簇纺丝法中，一旦催化剂沉积在基底上，就在垂直于基底的方向上合成碳纳米管簇。当用镊子或胶带牵拉定位在基底末端的碳纳米管时，在碳纳米管通过其间的范德华引力被拉伸为连接的形式的同时，纺出碳纳米管纱线。然而，这种方法具有由于其不是连续过程而无法提高生产率的缺点。

在直接纺丝法中，将液态或气态碳源和催化剂与载气一起注入到设置在垂直安装的高温加热炉的顶部的入口中以在加热炉中合成碳纳米管。将已经与载气一起移动至加热炉的底部的碳纳米管纱线在加热炉的内部或外部卷绕以获得纱线。

影响碳纳米管纱线的强度的变量可以包括碳纳米管的长度和直径、它们之间的结合强度等。此外，存在改善取向度以增强碳纳米管纱线的强度的方法。

碳纳米管纱线的取向度是指构成纱线的碳纳米管在纱线中在某一方向上并排聚集的程度。由于其中碳纳米管良好地取向的纱线具有相对强的碳纳米管之间的相互作用，因此其强度优异。附带地，例如，当将该纱线用作场发射发射器的电极时，从各碳纳米管发射的电子可以在某一方向上发射，这在纱线的使用方面也是高度期望的。

为了提高碳纳米管纱线的取向度，存在于抽出碳纳米管纱线的步骤中提高抽出速率的方法。在该方法中，例如，将纱线以20m/分钟至50m/分钟或更大的高速度抽出。在这样的情况下，尽管可以提高取向度，但是由于碳纳米管纱线随着抽出速率变高而易于断裂，因此难以连续制备碳纳米管纱线。

为了提高碳纳米管纱线的取向度，考虑了在抽出纱线的步骤中通过诸如超声波的方式诱导纱线中碳纳米管取向的另一种方法。然而，由于以上方法利用其中碳纳米管已经聚集的后处理步骤，因此其对于使碳纳米管在某一方向取向上具有一定的限制。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供用于制备包含碳纳米管的纱线的方法和由此制备的纱线。

根据本发明的一个方面，公开了具体的工艺条件例如原料的进料速率、用于加热原料的加热部的长度和加热温度作为用于实现期望实施方案的纱线的必要因素。

特别地，当结合以上因素的下述特定参数M的值落入根据本发明的范围内时，根据本发明的方法生产的纱线的偏振拉曼比可以为5至10。在此范围内，构成纱线的碳纳米管可以取向成期望的水平。

此外，当参数M的值落入根据本发明的范围内时，可以使纱线中碳纳米管之间的π-π相互作用最大化，这在增强纱线的强度方面可以发挥重要作用。