[發明專利]一種取向螺旋碳納米管纖維及其制備方法和用途

無效

• 申請號: 201210157389.1
• 申請日: 2012-05-21
• 公開（公告）號: CN102704041A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 彭慧勝;郭文瀚;劉超
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: D01F9/127
• 分類號: D01F9/127;D01F11/14;D01D5/18
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于納米技術領域，具體涉及一種取向螺旋碳納米管纖維及其制備方法和用途。

背景技術

碳納米管具有新奇的結構和出色的性能，例如它非常輕，具有非常大的比表面積，優異的電學性能，同時也是目前發現強度最大的人造材料。為了更方便的使用碳納米管，人們把碳納米管紡成連續的宏觀的碳納米管纖維。這種纖維由取向的、螺旋排列的碳納米管組成，具有很高的力學強度和很高的電導率，故而碳納米管纖維具有廣泛的應用前景。例如，其可以作為電極應用在染料敏化太陽能電池上，也可以和共軛高分子復合，作為一種對電流敏感的變色材料使用。

多年來，人們對能夠直接把電能轉化為機械能的材料進行了廣泛研究，例如鐵電材料，導電高分子和高分子凝膠。但是這些材料都有一定的局限性，例如往往需要很高的電壓電場、循環壽命比較低、能量密度比較低、需要在特定的介質中使用、不能產生旋轉力等等。因此，人們開始研究能夠在各種介質中長期使用的材料，或者電能直接轉換為轉動機械能的材料。

發明內容

本發明目的是為了解決現有將電能轉化為機械能材料，存在的需要很高的電壓電場、循環壽命比較低，能量密度比較低、需要在特定的介質中使用、不能產生旋轉力等問題，提供一種具有很高的機械強度和電導率的取向螺旋碳納米管纖維及其制備方法及和用途。

為了實現發明目的，本發明公開了一種取向螺旋碳納米管纖維的制備方法，具體步驟為：

(1)?合成可用于紡絲的碳納米管陣列

以Si/SiO₂/Al₂O₃/Fe為合成催化劑，其中，SiO₂為基底，中間Al₂O₃為緩沖層，厚度為10-30?nm，Fe厚度為0.5-1.5?nm，以電子束蒸發鍍膜儀在硅片上沉積制備獲得；在管式爐中，以乙烯為碳源，氬氣和氫氣為載氣，在上述催化劑基底上合成高度取向的碳納米管陣列，其中，控制乙烯流量為190-290?sccm，氬氣流量為400-620?sccm，氫氣流量為20-48?sccm，合成時間為5-100?min，得到可紡絲的碳納米管陣列；

?(2)?合成取向螺旋碳納米管纖維

從步驟（1）得到的碳納米管陣列中拉出碳納米管帶，以帶有尖頭探針的紡錘將所拉出的碳納米管帶連接起來后勻速旋轉紡出纖維，再用乙醇處理，得到取向螺旋碳納米管纖維，其中，控制紡絲轉速為100-8000?r/min，拉出速度為0.5-5?cm/s，單根碳管纖維拉出長度為1cm-100m。?

本發明公開了上述制備方法得到的一種取向螺旋碳納米管纖維，該纖維中的碳納米高度有序排列，纖維螺旋度(纖維螺旋方向與水平方向的夾)角為0-60度，纖維直徑為16-20μm。

所述取向螺旋碳納米管纖維可用于制造人造肌肉。

所述取向螺旋碳納米管纖維可用于制造電動馬達。

所述取向螺旋碳納米管纖維在藥物釋放載體中的應用。

本發明所述取向螺旋碳納米管纖維在電流作用下具有明顯而快速的力學響應，且其制備方法簡單、具有很高的機械強度和電導率，將本材料與多種具有導電特性的材料及結構組合，可在人造肌肉、藥物釋放以及機械工程方面展現出廣泛的應用前景。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的說明。

?圖1.?碳管纖維的掃描電子顯微鏡照片。其中，(a)為右旋的碳管纖維；(b)為左旋的碳管纖維；(c)為(b)的放大照片。?

?圖2.?碳管纖維通電時產生軸向的收縮和徑向的轉動。其中，(a)為碳管纖維通電時產生長度方向的收縮和徑向的轉動的示意圖，Fz和Ft分別表示收縮力和轉動力；(b)為給碳管纖維施加脈沖電流時，軸向收縮的應力；(c)為對碳管纖維施加(b)中脈沖電流時，所產生的軸向收縮強度對循環次數作圖；(d)為給碳管纖維施加線性變化的電流所產生軸向收縮的應力曲線；(e)為給不同螺旋度的碳管纖維施加5?mA的電流時產生的軸向收縮強度。

圖3.?碳管纖維用于電動馬達圖示。其中，(a)為轉動馬達裝置及其轉動的示意圖；(b)為轉動角度y的大小與所施加電流大小的關系圖；(c)為sin(y)與所施加電流大小的關系圖，虛線為擬合曲線，證明轉動力矩的大小和電流的二次方成正比；(d)為轉動角度與脈沖電流循環次數的關系圖。?

圖4.?碳管纖維用于藥物釋放圖示。其中，(a)為通電時，藥物從碳管纖維中被擠出釋放的示意圖；(b)為用紫外可見光度計檢測釋放藥物的吸收強度。