高稳定性碳纳米管纤维连续强化装置、系统及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高稳定性碳纳米管纤维连续强化装置、系统及其应用。所述连续强化装置包括质子化牵伸模块、辊压增强模块、清洗凝固模块、以及退火模块；质子化牵伸模块内设置有多个第一牵伸组件，包括第一压力传感器和第一牵伸轴，第一压力传感器实时检测每一级的第一压力值，所述第一牵伸轴根据所述第一压力值调节各级原始碳纳米管纤维的牵伸率。本发明专利技术所提供的碳纳米管纤维连续强化装置，自适应逐级牵伸，且实时控制牵伸率，避免弱点受力过大，使纤维在牵过程中自身强度提高，承受牵伸力降低，纤维断裂概率极大降低，因此连续牵伸稳定性高；带来稳定的牵伸工艺与品质稳定性的提高，使纤维增强处理连续性和合格率都极大的提高。高。高。

【技术实现步骤摘要】
高稳定性碳纳米管纤维连续强化装置、系统及其应用


[0001]本专利技术涉及碳纳米材料
，特别是碳纳米管纤维强化设备和方法
，尤其涉及一种高稳定性碳纳米管纤维连续强化装置、系统及其应用。

技术介绍

[0002]碳纳米管(CNT)具有独特一维纳米结构和优异的电学、热学和力学性能，由其组装构成的宏观体连续的纤维在工程纤维、功能复合、生物传感和能量储存等领域有广泛潜在应用。碳纳米管理论强度能达到100GPa，然而碳纳米管纤维的力学、导电性能与单根碳纳米管相比仍低几个数量级。造成上述差异的主要原因在于组成纤维的碳管之间的范德华力较弱，碳纳米管管束之间存在大量空隙接触面积较少，形成松散、彼此容易滑移的结构；此外，纤维内部存在着大量空洞，堆积密度不高，从而极大限制了碳纳米管纤维的强度，如何实现对碳纳米管纤维的力学增强成为目前碳纳米管纤维产品研发的重点。
[0003]碳纳米管纤维断裂机制主要是碳纳米管管间滑移，碳纳米管管间作用力增强是实现高强度纤维的有效方法。目前，研究人员进行了碳纳米管纤维力学增强方面的研究工作，如J.N.Wang(J.N.Wang，et al.Nature Communications，2014，5，3845)通过辊压致密化的方法大大提高了碳纳米管纤维的力学强度，纤维最高强度达到8
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9GPa，但纤维内部结构在辊压过程中受到损伤，导致纤维载荷降低；X.H.Zhang(Y.Han，et al.Scientific Reports，2015，5，11533)将CNT纤维与树脂复合以增强纤维内CNT管间作用力，实现力学强度的提高，但树脂材料的引入导致纤维的导电性降低、柔韧性和耐高温性能减弱；J.T.Di(Y.H.Song，et al.Nanoscale，2019，11，13909)使用通电增强的方法实现碳纳米管纤维中管间C
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C化学键合增强，纤维力学强度提高。公开号为CN113005759A的中国专利技术专利，提出了一种碳纳米管纤维连续通电增强装置及方法，通过处理过程中在碳纳米管纤维能够与电极的表面滑动配合并形成欧姆接触，实现碳纳米管纤维“卷对卷”连续处理，进而实现碳纳米管纤维批量化增强。然而，上述方法增强方法不仅工艺复杂，还对纤维自身性能破坏性较大，难以实现高性能碳纳米管纤维的大规模连续处理，其仍是碳纳米管纤维材料产业化应用中亟待解决的技术问题。
[0004]较新的研究表明，质子化试剂，例如氯磺酸的辅助牵伸(Nature Communications，2019，10(1)；ACS Applied Materials&Interfaces，2020，12(11))加辊压的方式是纤维连续性牵伸的有效手段之一。公开号为CN 109863116A的中国专利，提出了一种提高碳纳米管纤维聚集体的拉伸强度的方法，通过用氯磺酸(CSA)分散CNT纤维聚集体，然后在热处理时施加特定大小的张力，制备的CNT纤维聚集体的排列水平和拉伸强度增加。公开号为CN111155217A的中国专利，提出了一种提高碳纳米管纤维取向度与导电性的方法，将CNT纤维浸入质子化试剂中使其充分膨胀，并适当拉伸，使碳纳米管纤维重新排列以改善其轴向取向，然后再将CNT纤维浸入凝固浴中，通过溶解性差驱动相分离，将质子化试剂从CNT纤维中挤出，然后经过在线水洗和烘干，形成致密的碳纳米管纤维，较好地提高了纤维的取向度和致密性，从而使纤维的导电性和机械强度得到极大提升。
[0005]然而，现有技术中的质子化试剂牵伸工艺虽然能够获得较佳的力学强度提升，具有较为广阔的应用前景，然而，本专利技术的专利技术人发现，实际应用中，采用现有技术中的质子化试剂牵伸工艺均无法获得连续较长的碳纳米管纤维，出于各种不可避免的因素，现有技术中的质子化试剂牵伸工艺在牵伸时，碳纳米管纤维非常容易断裂，连续性普遍在米级，这距离实际应用相差甚远。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高稳定性碳纳米管纤维连续强化装置、系统及其应用。
[0007]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种高稳定性碳纳米管纤维连续强化装置，包括沿工艺方向依次设置的：
[0009]质子化牵伸模块，用于利用质子化试剂对原始碳纳米管纤维进行多级膨胀牵伸处理，获得膨胀纤维；
[0010]辊压增强模块，用于对所述膨胀纤维进行辊压处理，获得辊压纤维；
[0011]清洗凝固模块，用于利用凝固浴对所述辊压纤维进行去质子化处理，获得去质子化纤维；
[0012]以及，退火模块，用于对所述去质子化纤维进行退火处理，获得强化后的碳纳米管纤维；
[0013]其中，所述质子化牵伸模块内设置有多个第一牵伸组件，所述第一牵伸组件包括第一压力传感器和第一牵伸轴，所述第一压力传感器用于实时检测每一级膨胀牵伸处理中的碳纳米管纤维对所述第一牵伸轴产生的第一压力值，所述第一牵伸轴用于根据所述第一压力值调节各级原始碳纳米管纤维的牵伸率。
[0014]第二方面，本专利技术还提供一种高稳定性碳纳米管纤维连续强化系统，包括沿工艺方向依次设置的放线装置、上述连续强化装置以及收线装置；所述放线装置用于释放原始碳纳米管纤维，所述收线装置用于收集强化后的碳纳米管纤维。
[0015]第三方面本专利技术还提供一种高稳定性碳纳米管纤维连续强化方法，采用上述连续强化系统进行碳纳米管纤维的强化，包括：
[0016]使原始碳纳米管纤维在质子化试剂中进行多级膨胀牵伸处理，利用多组第一牵伸轴控制所述原始碳纳米管纤维的牵伸速度差，以及利用多组第一压力传感器实时检测每一级膨胀牵伸处理中的碳纳米管纤维对所述第一牵伸轴产生的第一压力值，并根据所述第一压力值调节各级原始碳纳米管纤维的牵伸率，获得膨胀纤维；
[0017]使所述膨胀纤维经过辊压轴进行辊压处理，获得辊压纤维；
[0018]使所述辊压纤维经过凝固浴进行去质子化处理，获得去质子化纤维；
[0019]使所述去质子化纤维经过退火模块进行退火，获得强化后的碳纳米管纤维。
[0020]第四方面，本专利技术还提供由上述连续强化方法制得的碳纳米管纤维，所述碳纳米管纤维的连续性大于100m，强度大于2GPa。
[0021]基于上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0022]本专利技术所提供的碳纳米管纤维连续强化装置、系统及方法，自适应逐级牵伸，且实
时控制牵伸率，避免弱点受力过大，使纤维在牵过程中自身强度提高，承受牵伸力降低，因此纤维断裂概率极大降低，因此连续牵伸稳定性高；带来稳定的牵伸工艺与品质稳定性的提高，使纤维增强处理连续性和合格率都极大的提高，生产效率高。
[0023]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
[0024]图1是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高稳定性碳纳米管纤维连续强化装置，包括沿工艺方向依次设置的：质子化牵伸模块，用于利用质子化试剂对原始碳纳米管纤维进行多级膨胀牵伸处理，获得膨胀纤维；辊压增强模块，用于对所述膨胀纤维进行辊压处理，获得辊压纤维；清洗凝固模块，用于利用凝固浴对所述辊压纤维进行去质子化处理，获得去质子化纤维；以及，退火模块，用于对所述去质子化纤维进行退火处理，获得强化后的碳纳米管纤维；其特征在于，所述质子化牵伸模块内设置有多个第一牵伸组件，所述第一牵伸组件包括第一压力传感器和第一牵伸轴，所述第一压力传感器用于实时检测每一级膨胀牵伸处理中的碳纳米管纤维对所述第一牵伸轴产生的第一压力值，所述第一牵伸轴用于根据所述第一压力值调节各级原始碳纳米管纤维的牵伸率。2.根据权利要求1所述的连续强化装置，其特征在于，当任一所述压力传感器检测到的所述第一压力值降低时，对应的所述第一牵伸轴的牵伸率降低；优选的，所述第一牵伸组件的数量为3
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6组；优选的，相邻各级所述第一牵伸轴的牵伸速度差范围为0.05
‑
0.2cm/min。3.根据权利要求1所述的连续强化装置，其特征在于，所述辊压增强模块包括一组或多组辊压轴及其对应的第二压力传感器，所述第二压力传感器用于实时检测所述辊压轴处的第二压力值，所述辊压轴用于对所述膨胀纤维施加径向压力，所述辊压轴的线速度能够根据所述第一压力值和/或第二压力值调节；优选的，当所述第一压力值和第二压力值中的任意者降低时，调节所述辊压轴的线速度等于最后一级所述第一牵伸轴的线速度；优选的，所述辊压轴的数量为1
‑
3组；优选的，沿所述膨胀纤维的前进方向的多组辊压轴所施加的压力逐级递增；优选的，相邻各级所述辊压轴所施加的压力差值的范围为0.005
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10N。4.根据权利要求1所述的连续强化装置，其特征在于，所述清洗凝固模块内设置有多组第二牵伸组件，所述第二牵伸组件包括第三压力传感器和第二牵伸轴，所述第三压力传感器用于实时检测第二牵伸轴处的第三压力值，所述第二牵伸轴用于根据所述第一压力值、第二压力值和/或第三压力值调节所述第二牵伸轴的线速度；优选的，当所述第一压力值、第二压力值以及第三压力值中的任意者降低时，调节所述第二牵伸轴的线速度等于所述辊压轴的线速度；优选的，所述第二牵伸组件的数量是2
‑
4组；优选的，沿所述辊压纤维的前进方向的多组第二牵伸轴所施加的压力逐级递...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴操，张永毅，勇振中，吴昆杰，李清文，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
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