[發明專利]來自毫微管支撐陣列的纖維的制備

無效

• 申請號: 200580043374.0
• 申請日: 2005-05-05
• 公開（公告）號: CN101103149A
• 公開（公告）日: 2008-01-09
• 發明（設計）人: 朱運田
• 申請（專利權）人: 加利福尼亞大學董事會
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12;B29D28/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 過曉東

相關申請

本發明要求申請于2004年10月18日，申請號為60/620,088的美國臨時申請的利益，該申請在此被并入本文作為參考。關于聯邦權利的聲明

本發明是在美國能源部授權的，合同號為W-7405-ENG-36，政府的支持下進行的。政府在本發明中享有一定的權利。

技術領域

本發明所涉及的是制備纖維，更具體地是關于從毫微管的支撐陣列中紡長纖維的方法。

背景技術

個別的碳毫微管(CNTs)是至少在一個數量級上要比任何其它已知的材料要堅硬。具有理想原子結構的CNT理論上具有大約300GPa[1]的強度。實際上，碳毫微管并不具有理想的結構。然而，已經制得的CNT具有高達大約150GPa的可測強度，一旦退火這樣的強度還可以提高。為了進行比較，當前應用于防彈衣中的纖維B纖維僅僅具有大約3GPa的強度，而用于制造航天飛機和其它太空結構的碳化纖維所擁有的強度僅僅為2-5GPa[2]。

CNT必須被結合在一起以在結構上利用它們的強度。最普遍的方法是將CNT與聚合物粘合劑相混合并從混合物中紡得CNT合成纖維。迄今，這種方法并不是非常的成功，這樣的纖維的強度也不大。微觀結構的分析示出這些合成纖維的CNT是錯位的和/或紊亂的。這種錯位和紊亂降低了容積率和CNT的組裝密度以及相應的合成纖維的承重性能。在這些纖維中CNT的相對低的容積率限制了合成纖維的強度。使用聚合物與CNT結合在一起的一個問題是迄今在CNT和聚合物粘合劑之間所觀察到的較弱的結合。許多研究機構所嘗試的用化學方法控制聚合物/CNT界面是一項非平凡的任務。到目前為止已經制得的最好的碳毫微管/聚合物合成纖維具有CNT60％的容積率以及僅僅1.8GPa[3]的強度。假定個別的CNT的強度是150GPa，則這些合成纖維僅僅利用了CNT的潛在強度的2％。

這樣就仍然需要具有增加的強度的長碳纖維。

據此，本發明的目的在于提供具有改進強度的碳毫微管和聚合物粘合劑的合成纖維。

本發明的另一個目的是提供一種用來制備具有改進強度的碳纖維管和聚合物的合成纖維的方法。

本發明附加的目的、優點以及新穎的特點將在下面作為說明書的一部分而被示出，說明書接下來的，以及部分地將在下面的研究的基礎上對于本發明的技術人員來說將變得明顯，或者通過本發明的實踐而有所領悟。通過在所附的權利要求中所具體指出的手段和其組合將會實現并達到本發明的目的及其優點。

發明內容

依照在此具體地并廣泛描述的本發明的目的，本發明包括一種用于制備纖維的方法，包括從毫微管的支撐陣列中紡纖維。該方法可能包括將旋轉軸的一端移動到毫微管的支撐陣列上，以使其與來自陣列的支撐毫微管相接觸，并將它們中的至少一些相互扭曲來開始纖維。隨著扭曲的毫微管離開支撐，旋轉軸相對于支撐陣列移動，這樣來自陣列的另外的支撐毫微管繞著增長的纖維扭曲，并延長逐漸壯大的纖維的長度。陣列能夠在旋轉之前被涂上聚合物溶液；在旋轉的過程中，剩余的溶液被擠出纖維，隨后聚合物能夠在升高的溫度下被消除。

本發明還包括通過扭曲以及從毫微管的支撐陣列中分離毫微管來制備合成纖維。通過將旋轉軸的一端移動到毫微管的支撐陣列以使其與來自陣列的支撐毫微管相接觸并將它們的至少一部分圍繞彼此相互扭曲，毫微管被分開并彼此相互扭曲在一起開始纖維，以及隨著扭曲的毫微管離開支撐，相對于支撐陣列移動旋轉軸以致來自陣列其它的支撐毫微管圍繞逐漸壯大的纖維扭曲并延長逐漸增長的纖維的長度。陣列在旋轉之前被涂上聚合物溶液；在旋轉的過程中，多余的溶液被擠出纖維，而且聚合物可以在升高的溫度下被固化。

本發明還包括用于旋轉纖維的裝置。該裝置包括毫微管的支撐陣列，軸以及用于將軸接合到軸上用于以可控的角速度旋轉的至少一個發動機，以致旋轉軸能夠以可控的速度和角速度從毫微管陣列中牽引纖維。軸的一端是粘性的和/或粗糙的和/或鉤狀的或其它能夠聚集來自支撐陣列中的毫微管的結構。旋轉軸和支撐陣列中的一個或者兩者能夠以可控的方向而移動(水平的、垂直的或者任何角度)并且以相對于另一個的任何角度而定位，以至于當支撐毫微管離開陣列并成為旋轉的纖維的部分時，陣列能夠以可控的方向和可控的速度移動離開軸。

附圖說明

被并入說明書其中的，或來自于說明書的一部分的附圖舉例說明了本發明的實施方案(或多個)，附圖結合說明書一起用來解釋本發明的原理。在附圖中：

附圖1示出用來制備本發明的纖維的化學蒸汽沉積物(CVD)所制備的排列的實質上平行陣列的碳毫微管的掃描電子顯微圖像。