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CN107337192A - 一种碳纳米管绳的制备方法 - Google Patents

一种碳纳米管绳的制备方法 Download PDF

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CN107337192A
CN107337192A CN201610275066.0A CN201610275066A CN107337192A CN 107337192 A CN107337192 A CN 107337192A CN 201610275066 A CN201610275066 A CN 201610275066A CN 107337192 A CN107337192 A CN 107337192A
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姜开利
范守善
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Tsinghua University
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
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Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种碳纳米管绳的制备方法，包括以下步骤：提供一形成于一基底上的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列包括多个碳纳米管基本垂直于所述基底表面；从所述碳纳米管阵列中选取多个碳纳米管，对该多个碳纳米管施加一拉力，从而形成一碳纳米管膜；提供一弹性杆，该弹性杆相对于所述基底表面平行，将所述碳纳米管膜的起始端固定在该弹性杆的表面；以所述弹性杆的中心线为转动轴旋转该弹性杆，旋转过程中所述弹性杆保持弧形且向靠近所述碳纳米管阵列的方向弯曲，所述碳纳米管膜与所述弹性杆接触部位的宽度逐渐减小。

Description

一种碳纳米管绳的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管绳的制备方法。
背景技术
碳纳米管具有优异的力学、热学及电学性质，可用于制作场效应晶体管、原子力显微镜针尖、场发射电子枪、纳米模板等等。但是，目前基本上都是在微观尺度下应用碳纳米管，操作较困难。所以，将碳纳米管组装成宏观尺度的结构对于碳纳米管的宏观应用具有重要意义。
申请号为200510120716.6的中国专利公开了一种利用拉伸工具从超顺排碳纳米管阵列拉取一碳纳米管膜，然后将拉出的碳纳米管膜经过一有机溶剂浸润处理后收缩成为碳纳米管丝的方法。然而该方法需要经过拉伸与收缩两个步骤，操作复杂且需要花费一定的时间。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种碳纳米管绳的制备方法，该方法操作更为简单。
一种碳纳米管绳的制备方法，包括以下步骤：
S21，提供一形成于一基底上的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列包括多个碳纳米管基本垂直于所述基底表面；
S22，从所述碳纳米管阵列中选取多个碳纳米管，对该多个碳纳米管施加一拉力，从而形成一碳纳米管膜；
S23，提供一弹性杆，该弹性杆相对于所述基底表面平行，将所述碳纳米管膜的起始端固定在该弹性杆的表面；
S24，以所述弹性杆的中心线为转动轴旋转该弹性杆，旋转过程中所述弹性杆保持弧形且向靠近所述碳纳米管阵列的方向弯曲，所述碳纳米管膜与所述弹性杆接触部位的宽度逐渐减小。
与现有技术相比较，本发明提供的碳纳米管绳的制备方法通过旋转所述弹性杆将任意宽度的碳纳米管膜直接收缩成碳纳米管绳，而无需经过有机溶剂的浸润处理，操作更为简单，可以实现规模化生产。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的碳纳米管拉取装置示意图。
图2为本发明第一实施例提供的碳纳米管拉取装置结构示意图。
图3为本发明第二实施例提供的碳纳米管膜的制备方法示意图。
图4为本发明第二实施例提供的碳纳米管膜的制备方法原理图。
图5为本发明第三实施例提供的碳纳米管绳的制备方法示意图。
主要元件符号说明
碳纳米管拉取装置 100
碳纳米管阵列 10
基底 20
碳纳米管膜 30
碳纳米管丝 31
弹性杆 110
第一连接端 111
第二连接端 112
中心线 113
控制器 120
连接杆 121
第一电机 123
第二电机 124
第一限位环 125
第二限位环 126
控制器本体 127
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的碳纳米管绳的制备方法作进一步的详细说明。
请参见图1，本发明第一实施例提供一种碳纳米管拉取装置100，用于从碳纳米管阵列10中获取碳纳米管结构，所述碳纳米管结构包括碳纳米管膜、碳纳米管绳等。所述碳纳米管拉取装置100包括：一弹性杆110与一控制器120。所述弹性杆110具有一第一连接端111以及与该第一连接端111相对的第二连接端112，该第一连接端111与第二连接端112与所述控制器120连接，所述弹性110的主体部分悬空设置。所述弹性杆110在所述控制器120的驱动下以自身中心线113为转动轴进行旋转。
所述控制器120包括一驱动单元以及一形态调节单元，所述驱动单元为所述弹性杆110的旋转提供动力，所述形态调节单元控制所述弹性杆110的空间形态。请参见图2，本实施例中所述控制器120包括：第一电机123、第二电机124、第一限位环125、第二限位环126、连接杆121以及控制器本体127。所述第一电机123、第二电机124、第一限位环125、第二限位环126分别通过连接杆121与所述控制器本体127连接。所述控制器本体127内部设置有形态调节单元，该形态调节单元通过控制所述第一电机123、第二电机124、第一限位环125、第二限位环126在三维空间的位置调节所述弹性杆110的空间形态。
所述第一电机123与所述第一连接端111连接，所述第二电机124与所述第二连接端112连接。所述弹性杆110的旋转速度及方向由所述第一电机123、第二电机124的运转速度及方向来控制。所述第一电机123与第二电机124的转速及方向相同，其转速可以为几十至几百转每分钟。本实施例中采用两电机驱动所述弹性杆110，可以理解，电机的具体个数及设置方式并不限于实施例中提供的方式，只需确保可以驱动所述弹性杆110绕其中心轴旋转即可。例如，可以仅提供一个电机，该电机驱动所述第一连接端111或第二连接端112中的一个旋转，另一个则跟随转动。
所述第一限位环125与第二限位环126套设于所述弹性杆110的表面，用于限制该弹性杆110在旋转中的空间位置。所述第一限位环125靠近所述第一连接端111的内侧设置，所述第二限位环126靠近所述第二连接端112的内侧设置。优选地，所述第一限位环125与第二限位环126对称设置。所述第一限位环125、第二限位环126与所述弹性杆110之间存在一定的间隙，以使所述弹性杆110可以相对于该第一限位环125与第二限位环126自由转动。优选地，所述第一限位环125、第二限位环126为圆环结构，内径d1相等且略大于所述弹性杆110的直径d2。所述第一限位环125与第二限位环126的空间位置由控制器本体127内部的形态调节单元控制，当所述第一限位环125与第二限位环126的空间位置固定时，所述弹性杆110在旋转过程中的空间位置可以基本保持不变。本实施例中所述第一限位环125、第二限位环内径相等，且有0.5 mm < d1-d2 < 5 mm；所述第一限位环125与所述第一连接端111的距离为L1，所述第二限位环126与所述第二连接端112的距离为L2，且有10 mm < L1 = L2 < 50 mm。需要说明的是，限位环的数量与位置可以根基实际情况而调整，且限位环并非必选元件，限位环的作用是进一步限制弹性杆110在旋转过程中的空间位置，即使没有限位环也可以实现本发明。
所述弹性杆110具有良好的弹性，可以在外力的作用下改变形状，例如，由直杆弯曲为弧形杆且弧度可变。所述弧形可以为圆弧、椭圆弧或其他的不规则弧形。所述弹性杆110可以是向远离所述碳纳米管阵列10的方向弯曲，也可以是向靠近所述碳纳米管阵列10的方向弯曲。所述弹性杆110的形状为杆状。所述弹性杆110的材料不限，只需满足能够在外力的作用下弯曲且以其自身中心线为转动轴自转。所述弹性杆110的弯曲模量可以为1-20Mpa。所述弹性杆110的材料可以为具有良好弹性的塑料、树脂、橡胶等材料。本实施例中采用的为硅橡胶。所述弹性杆110的截面形状不限，可以为各种由直线或曲线围成的封闭图形，优选为圆形。本实施例中所述弹性杆110为一硅胶棒，该硅胶棒各个位置的截面为直径相等的圆形，所述硅胶棒的直径为d2，且有1mm < d2< 50mm。所述硅胶棒在自由状态下为一直杆，并可以在外力的作用下弯曲成弧形，且弧度随外力的变化而变化。
所述碳纳米管拉取装置100在使用时，所述第一连接端111与第二连接端112分别在所述第一电机123与第二电机124的驱动下以相同的速度旋转，使得该弹性杆110以其自身中心线113为转动轴自转。所述弹性杆110的空间形态通过所述控制器120控制所述第一电机123与第二电机124之间的距离调节。所述弹性杆110的旋转速度不限，只需保证在拉取过程中所述碳纳米管能够连续且均匀地从所述碳纳米管阵列10中拉出。优选地，所述弹性杆110保持匀速旋转，旋转的线速度约为0.01 cm/s~100 cm/s。当所述弹性杆110向远离所述碳纳米管阵列10的方向弯曲时，可以获得一宽度逐渐增大的碳纳米管膜；当所述弹性杆110向靠近所述碳纳米管阵列10的方向弯曲时，可以获得一宽度逐渐减小的碳纳米管膜，该宽度逐渐减小的碳纳米管膜逐渐收缩即可获得一碳纳米管绳。所述弹性杆110在旋转过程中其弯曲方向及弯曲弧度可以自由调节。
本发明第一实施例提供的碳纳米管拉取装置100用于从碳纳米管阵列10中拉取各种碳纳米管结构，且在拉取过程中所述碳纳米管结构的宽度可以任意调节，不再受制于所述碳纳米管阵列10的尺寸。
请参见图3，本发明第二实施例提供一种制备碳纳米管膜的制备方法，包括以下步骤：
S11，提供一形成于一基底20上的碳纳米管阵列10，该碳纳米管阵列10包括多个碳纳米管基本垂直于所述基底20表面；
S12，从所述碳纳米管阵列10中选取多个碳纳米管，对该多个碳纳米管施加一拉力，从而形成一碳纳米管膜30；
S13，提供一弹性杆110，该弹性杆相对于所述基底表面平行，将所述碳纳米管膜30的起始端固定在该弹性杆110的表面；
S14，以所述弹性杆110的中心线113为转动轴旋转该弹性杆110，旋转过程中所述弹性杆110保持弧形且向远离所述碳纳米管阵列10的方向弯曲，所述碳纳米管膜30与所述弹性杆110接触部位的宽度逐渐增加。
步骤S11中，所述碳纳米管阵列10包括多个基本垂直于基底20表面的碳纳米管，且该多个基本垂直于所述基底20表面的碳纳米管以阵列方式排列。所述碳纳米管阵列10为通过化学气相沉积的方法生长在该基底20的表面。该碳纳米管阵列10中的碳纳米管基本彼此平行且垂直于基底20表面，相邻的碳纳米管之间相互接触并通过范德华力相结合。通过控制生长条件，该碳纳米管阵列10中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。由于基本不含杂质且碳纳米管相互间紧密接触，相邻的碳纳米管之间具有较大的范德华力，足以使在拉取一些碳纳米管（碳纳米管片段）时，能够使相邻的碳纳米管通过范德华力的作用被首尾相连、连续不断的拉出。这种能够使碳纳米管首尾相连的从其中拉出的碳纳米管阵列10也称为超顺排碳纳米管阵列10。该基底20的材料可以为P型硅、N型硅或氧化硅等适合生长超顺排碳纳米管阵列10的基底。
步骤S12中，首先从所述碳纳米管阵列10中选定宽度为d1的多个碳纳米管片断。可以采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列10以选定宽度为d1的多个碳纳米管片断，然后以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列10生长方向拉伸该多个碳纳米管片断，该多个碳纳米管片断在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片断分别与其他碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管膜30。该碳纳米管膜30由定向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成，宽度为d1。该碳纳米管膜30中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管膜的拉伸方向。
步骤S13中，所述碳纳米管膜30的起始端固定在所述弹性杆110表面的S点，优选地，所述S点为所述弹性杆110的中点。
步骤S14中，所述弹性杆110在外力的带动下以其自身的中心线113为转动轴旋转。所述外力可以由本发明第一实施例中的控制器120提供，也可以由操作者的双手提供。所述弹性杆110在旋转过程中保持弧形且向远离所述碳纳米管阵列10的方向弯曲。优选地，所述弹性杆110与所述碳纳米管膜30位于同一平面。所述弹性杆匀速旋转，旋转的线速度可以为0.01 cm/s~100 cm/s。在所述弹性杆110开始旋转前，所述碳纳米管膜30各个位置的宽度大致相同，均为d1。所述弹性杆110在旋转过程中，所述碳纳米管膜30与所述弹性杆110接触部位的宽度逐渐增加，由d1变化为d1’，所述碳纳米管膜30与所述碳纳米管阵列10接触部位的宽度基本不变，保持为d1。
请参见图4，所述碳纳米管膜30中包含多个由首尾相连的碳纳米管形成的碳纳米管丝，旋转过程中所述碳纳米管丝受到来自所述弹性杆110的作用力T1，以及来自碳纳米管阵列10的作用力T2。T1与T2之间成一定的夹角θ，0°<θ<180°。所述碳纳米管膜30在T1与T2的作用下逐渐向外扩张，所述碳纳米管膜30与所述弹性杆110接触部位的宽度逐渐增大。所述碳纳米管膜与所述弹性杆接触部位的宽度可以通过改变所述弹性杆的弯曲程度或改变所述弹性杆与所述碳纳米管阵列的距离调节。当所述夹角θ的度数约为180°时，所述碳纳米管膜30不再向外扩张，所述碳纳米管膜30与所述弹性杆接触部位的宽度保持不变，所述碳纳米管膜30处于稳定拉伸状态，该状态下所述弹性杆110为圆弧，且弧心O位于所述碳纳米管膜30与所述碳纳米管阵列10的接触部位。
本发明第二实施例提供一种制备碳纳米管膜的方法，利用该方法制备的碳纳米管膜的宽度可以在拉取过程中任意调节，且所获得的碳纳米管膜的最大宽度不再受制于碳纳米管阵列的尺寸。
请参见图5，本发明第三实施例提供一种制备碳纳米管绳的方法，包括以下步骤：
S21，提供一形成于一基底20上的碳纳米管阵列10，该碳纳米管阵列10包括多个碳纳米管基本垂直于所述基底20表面；
S22，从所述碳纳米管阵列10中选取多个碳纳米管，对该多个碳纳米管施加一拉力，从而形成一碳纳米管膜30；
S23，提供一弹性杆110，该弹性杆相对于所述基底表面平行，将所述碳纳米管膜30的起始端固定在该弹性杆110的表面；
S24，以所述弹性杆110的中心线113为转动轴旋转该弹性杆110，旋转过程中所述弹性杆110保持弧形且向靠近所述碳纳米管阵列10的方向弯曲，所述碳纳米管膜30与所述弹性杆110接触部位的宽度逐渐减小。
本实施例与第一实施例的主要区别在于：本实施例中所述弹性杆110的弯曲方向靠近所述碳纳米管阵列10，而第一实施例中所述弹性杆110的弯曲方向远离所述碳纳米管阵列10。
步骤S24中，所述弹性杆110在外力的带动下以其自身的中心线113为转动轴旋转。所述外力可以由本发明第一实施例中的控制器120提供，也可以由操作者的双手提供。所述弹性杆110在旋转过程中保持弧形且向靠近所述碳纳米管阵列10的方向弯曲。优选地，所述弹性杆110与所述碳纳米管膜30位于同一平面。在所述弹性杆110开始旋转前，所述碳纳米管膜30各个位置的宽度大致相同，均为d2。所述弹性杆110在旋转过程中，所述碳纳米管膜30与所述弹性杆110接触部位的宽度逐渐减小，由d2减小为d2’，所述碳纳米管膜30与所述碳纳米管阵列10接触部位的宽度基本不变，保持为d2。
所述碳纳米管膜30中包含多个由首尾相连的碳纳米管形成的碳纳米管丝。转动过程中，所述碳纳米管丝受到来自弹性杆110的作用力T3以及来自碳纳米管阵列10的作用力T4。上述两个力之间的夹角为γ，0°<γ<180°。所述碳纳米管丝在上述两个力的作用下逐渐向内收缩，所述碳纳米管膜30与所述弹性杆110接触部位的宽度逐渐减小，直至所述碳纳米管膜30在所述弹性杆110接触部位收缩为一碳纳米管绳。
本发明第三实施例提供的碳纳米管绳的制备方法可以将任意宽度的碳纳米管膜30收缩成碳纳米管绳，所述碳纳米管膜30的宽度越大，所获得的碳纳米管绳越粗，强度越高，且收缩过程中所述碳纳米管膜30无需经过有机溶剂的浸润处理，操作更为简单。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S21，提供一形成于一基底上的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列包括多个碳纳米管基本垂直于所述基底表面；
S22，从所述碳纳米管阵列中选取多个碳纳米管，对该多个碳纳米管施加一拉力，从而形成一碳纳米管膜；
S23，提供一弹性杆，该弹性杆相对于所述基底表面平行，将所述碳纳米管膜的起始端固定在该弹性杆的表面；
S24，以所述弹性杆的中心线为转动轴旋转该弹性杆，旋转过程中所述弹性杆保持弧形且向靠近所述碳纳米管阵列的方向弯曲，所述碳纳米管膜与所述弹性杆接触部位的宽度逐渐减小。
2.如权利要求1所述的碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，步骤S21中所述碳纳米管阵列为一超顺排碳纳米管阵列。
3.如权利要求1所述的碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，步骤S23中所述碳纳米管膜的起始端固定于所述弹性杆的中点。
4.如权利要求1所述的碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，步骤S23中所述弹性杆的弯曲模量为1-20Mpa。
5.如权利要求1所述的碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，步骤S23中所述弹性杆的材料为硅橡胶。
6.如权利要求1所述的碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，步骤S24中所述碳纳米管膜与所述弹性杆位于同一平面。
7.如权利要求1所述的碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，步骤S24中所述弹性杆匀速旋转。
8.如权利要求1所述的碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，步骤S24中所述弹性杆旋转的线速度为0.01 cm/s~100 cm/s。
9.如权利要求1所述的碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，步骤S24中所述弹性杆的形状为圆弧。
10.如权利要求9所述的碳纳米管绳的制备方法，其特征在于，步骤S24中所述弹性杆的弧心位于位于所述碳纳米管膜与所述碳纳米管阵列的交点。
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