一种取向螺旋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，具体涉及一种取向螺旋碳纳米管纤维及其制备方法和用途。本发明专利技术在管式炉中，以Si/SiO2/Al2O3/Fe为合成催化剂，以乙烯为碳源，氩气和氢气为载气，合成高度取向的碳纳米管阵列；从碳纳米管阵列中拉出碳纳米管带，以带有尖头探针的纺锤将所拉出的碳纳米管带连接起来后匀速旋转纺出纤维，再用乙醇处理，得到取向螺旋碳纳米管纤维。由本发明专利技术得到的碳纳米管纤维具有很高的机械强度和电导率。将该材料与多种具有导电特性的材料及结构组合，可应用于制造人造肌肉、电动马达及药物释放载体等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米
，具体涉及一种取向螺旋碳纳米管纤维及其制备方法和用途。
技术介绍
碳纳米管具有新奇的结构和出色的性能，例如它非常轻，具有非常大的比表面积，优异的电学性能，同时也是目前发现强度最大的人造材料。为了更方便的使用碳纳米管，人们把碳纳米管纺成连续的宏观的碳纳米管纤维。这种纤维由取向的、螺旋排列的碳纳米管组成，具有很高的力学强度和很高的电导率，故而碳纳米管纤维具有广泛的应用前景。例如，其可以作为电极应用在染料敏化太阳能电池上，也可以和共轭高分子复合，作为一种对电流敏感的变色材料使用。 多年来，人们对能够直接把电能转化为机械能的材料进行了广泛研究，例如铁电材料，导电高分子和高分子凝胶。但是这些材料都有一定的局限性，例如往往需要很高的电压电场、循环寿命比较低、能量密度比较低、需要在特定的介质中使用、不能产生旋转力等等。因此，人们开始研究能够在各种介质中长期使用的材料，或者电能直接转换为转动机械能的材料。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有将电能转化为机械能材料，存在的需要很高的电压电场、循环寿命比较低，能量密度比较低、需要在特定的介质中使用、不能产生旋转力等问题，提供一种具有很高的机械强度和电导率的取向螺旋碳纳米管纤维及其制备方法及和用途。为了实现专利技术目的，本专利技术公开了一种取向螺旋碳纳米管纤维的制备方法，具体步骤为 (I)合成可用于纺丝的碳纳米管阵列 以Si/Si02/Al203/Fe为合成催化剂，其中，SiO2为基底，中间Al2O3为缓冲层，厚度为10-30 nm, Fe厚度为0. 5-1. 5 nm，以电子束蒸发镀膜仪在硅片上沉积制备获得；在管式炉中，以乙烯为碳源，氩气和氢气为载气，在上述催化剂基底上合成高度取向的碳纳米管阵列，其中，控制乙烯流量为190-290 sccm，氩气流量为400-620 sccm，氢气流量为20-48sccm,合成时间为5-100 min,得到可纺丝的碳纳米管阵列； (2)合成取向螺旋碳纳米管纤维从步骤(I)得到的碳纳米管阵列中拉出碳纳米管带，以带有尖头探针的纺锤将所拉出的碳纳米管带连接起来后匀速旋转纺出纤维，再用乙醇处理，得到取向螺旋碳纳米管纤维，其中，控制纺丝转速为100-8000 r/min,拉出速度为0. 5-5 cm/s,单根碳管纤维拉出长度为Icm-IOOm0本专利技术公开了上述制备方法得到的一种取向螺旋碳纳米管纤维，该纤维中的碳纳米高度有序排列，纤维螺旋度(纤维螺旋方向与水平方向的夹)角为0-60度，纤维直径为16-20 u mD所述取向螺旋碳纳米管纤维可用于制造人造肌肉。所述取向螺旋碳纳米管纤维可用于制造电动马达。所述取向螺旋碳纳米管纤维在药物释放载体中的应用。本专利技术所述取向螺旋碳纳米管纤维在电流作用下具有明显而快速的力学响应，且其制备方法简单、具有很高的机械强度和电导率，将本材料与多种具有导电特性的材料及结构组合，可在人造肌肉、药物释放以及机械工程方面展现出广泛的应用前景。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。 图I.碳管纤维的扫描电子显微镜照片。其中，(a)为右旋的碳管纤维；(b)为左旋的碳管纤维；(C)为(b)的放大照片。图2.碳管纤维通电时产生轴向的收缩和径向的转动。其中，(a)为碳管纤维通电时产生长度方向的收缩和径向的转动的示意图，Fz和Ft分别表示收缩力和转动力；(b)为给碳管纤维施加脉冲电流时，轴向收缩的应力；(c)为对碳管纤维施加(b)中脉冲电流时，所产生的轴向收缩强度对循环次数作图；(d)为给碳管纤维施加线性变化的电流所产生轴向收缩的应力曲线；(e)为给不同螺旋度的碳管纤维施加5 mA的电流时产生的轴向收缩强度。图3.碳管纤维用于电动马达图示。其中，(a)为转动马达装置及其转动的示意图；(b)为转动角度y的大小与所施加电流大小的关系图；(c)为sin(y)与所施加电流大小的关系图，虚线为拟合曲线，证明转动力矩的大小和电流的二次方成正比；(d)为转动角度与脉冲电流循环次数的关系图。图4.碳管纤维用于药物释放图示。其中，(a)为通电时，药物从碳管纤维中被挤出释放的示意图；(b)为用紫外可见光度计检测释放药物的吸收强度。具体实施例方式实施例I取向螺旋碳纳米管纤维的制备 (I)合成可用于纺丝的碳纳米管阵列 以Si/Si02/Al203/Fe为合成催化剂，其中，SiO2为基底，Al2O3为缓冲层，厚度为10-30nm, Fe厚度为0. 5-1. 5 nm，以电子束蒸发镀膜仪在硅片上沉积制备获得；在管式炉中，以乙烯为碳源，氩气和氢气为载气，化学气相沉积法在上述催化剂基底上合成高度取向的碳纳米管阵列；其中，控制乙烯流量为190-290 sccm，氩气流量为400-620 sccm，氢气流量为20-48 sccm,合成5-100 min,得到可纺丝的碳纳米管阵列。(2)合成取向螺旋碳纳米管纤维 从步骤(I)得到的碳纳米管阵列中拉出碳纳米管带，以带有尖头探针的纺锤将所拉出的碳纳米管带连接起来后匀速旋转纺出纤维，再用乙醇处理，得到取向螺旋碳纳米管纤维，其中，控制纺丝转速为100-8000 r/min,拉出速度为0. 5-5 cm/s,单根碳管纤维拉出长度为Icm-IOOm0通过扫描电子显微镜对碳管纤维进行结构表征。图I是碳管纤维，纤维粗细均匀，通过调节纺丝头的旋转方向得到右旋纤维图I (a)和左旋纤维图I (b)，螺旋度的表征如图I (a)中所示。纤维中碳纳米管间距离均匀，取向很好，如图I (C)所示。通过改变纺丝头的拉伸速度可以得到具有不同螺旋度的纤维，不同螺旋度的纤维直径大致相同，约在16-20 m间。使用乙醇处理过的纤维拉伸强度可达0. 8 GPa,其结构更为均匀。以下结合实施例，对碳管纤维的应用，作进一步阐明，以下具体实施例仅用以说明而不用于限制本专利技术的使用范围。下列实施例中未予以具体说明的实验方法，应参照常规条件、本专利技术中已予介绍的条件、或制造厂家所建议的条件。实施例2碳管纤维在制造人造肌肉中的应用 本专利技术实施了碳管纤维在电流电场中的应力响应实验，取长度为5mm碳管纤维固定于拉力计上，碳管纤维两端用银胶分别和一根铜丝粘在一起，铜丝分别接在电源正负两极上。测定前先调整纤维使其处于刚好被拉直的状态。使用右旋的纤维对其电致应力进行了一系列表征。图2是碳管纤维通过电流时产生应力的示意图以及力学表征结果。图2 (a)是右 旋碳管纤维通过电流时，产生收缩和转动现象的示意图。图2 (b)是5_长的碳管纤维在4mA电流脉冲下的应力变化图，单个脉冲周期为6s，脉冲循环可持续1200s而纤维的应力变化基本无影响，以扫描电镜表征其结构也未有明显变化。图2 (c)为图2 (b)中的应力对脉冲循环次数所做关系图，可见纤维经200个循环后应力仍保持基本不变，而未经记录的实验里纤维通电循环超过40分钟仍未见明显衰减，可见其在空气中耐久性之强。并且纤维通电的响应速度也很快，达到仪器所能记录的最小时间值0. 2s。本专利技术也发现一根长为5mm碳管纤维两端固定在纸片上，连接电源两极，中间略为弯曲，在单个脉冲周期为Is的4mA脉冲电流下，纤维在通电时拉直，而电流去除后纤维重新弯曲，响应速度很快。本专利技术还进行了在线性电流变化下纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种取向螺旋碳纳米管纤维的制备方法，其特征在于具体步骤为 (I)合成可用于纺丝的碳纳米管阵列 以Si/Si02/Al203/Fe为合成催化剂，其中，SiO2为基底，Al2O3为缓冲层，厚度为10-30nm, Fe厚度为0. 5-1. 5 nm，以电子束蒸发镀膜仪在硅片上沉积制备获得；在管式炉中，以乙烯为碳源，氩气和氢气为载气，在上述催化剂上合成高度取向的碳纳米管阵列，其中，乙烯流量为190-290 sccm，氩气流量为400-620 sccm，氢气流量为20-48 sccm，合成时间为5-100 min,得到可纺丝的碳纳米管阵列； (2)合成取向螺旋碳纳米管纤维 从步骤(I)得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭慧胜，郭文瀚，刘超，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：