碳纳米管纤维连续通电增强装置及方法

技术领域

本发明特别涉及一种碳纳米管纤维连续通电增强装置及方法，属于碳纳米管纤维合成技术领域。

背景技术

碳纳米管纤维材料是由大量纳米尺度的单根碳纳米管以及碳纳米管束组装而成的宏观纤维材料。碳纳米管纤维由于其优异的力学、电学、热学性能，在复合材料、储能、功能器件等领域具有广泛的应用前景。目前为止，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，极大程度上限制了碳纳米管纤维的应用，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。

碳纳米管纤维内碳纳米管间主要是弱的范德华相互作用，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，已有部分学者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,etal.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8-9GPa，但纤维内部结构在辊压过程中受到损伤，形成缺陷，导致纤维载荷降低，处理后纤维载荷下降，纤维强度的提高主要依赖于致密化过程中纤维截面积的减小；因此碳纳米管纤维致密增强技术主要依赖于纤维截面积减小，牺牲了纤维载荷性能；X.H.Zhang(Y.Han,et al.Scientific Reports,2015,5,11533)将碳纳米管纤维与树脂复合以增强纤维内碳纳米管管间作用力，实现力学强度的提高；该方法主要是在纤维内部引入树脂材料，形成碳纳米管纤维/树脂复合纤维，由于树脂的引入，可以大大提高纤维的载荷和力学强度，然而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，且纤维的密度大幅度提高，且由于树脂在较高温度下会发生融化、分解等现象，使得复合纤维无法承受较高的温度；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-C化学键合增强，纤维力学强度提高；但目前所采用的装置与工艺方法只能实现小于1米长度纤维的处理，无法实现大规模连续处理。因此，如何实现高强度碳纳米管纤维的连续增强，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。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种碳纳米管纤维连续通电增强装置及方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种碳纳米管纤维连续通电增强装置，其包括：放线装置、收线装置以及设置在所述放线装置、收线装置之间并可供碳纳米管纤维连续通过的处理腔室，所述处理腔室内间隔设置有两个电极，当所述碳纳米管纤维通过所述处理腔室时，所述碳纳米管纤维能够与所述电极的表面滑动配合并形成欧姆接触。

进一步的，所述电极包括石墨电极，且所述石墨电极的表面光滑。

更进一步的，所述石墨电极包括直径为5-30mm的石墨棒，相邻两个石墨电极之间的间距为2-30cm。

更进一步的，所述处理腔室具有一进气口以及两个出气口，所述两个出气口同时作为可供碳纳米管纤维连续通过处理腔室的入口和出口，所述进气口与供气机构连接，所述供气机构能够由所述进气口向所述处理腔室中导入保护气体，进而在所述处理腔室内形成无氧环境。

更进一步的，所述放线装置上还设置有阻尼器，所述阻尼器至少用于对连续运动于放线装置和收线装置之间的所述碳纳米管纤维施加拉伸张力。

本发明实施例还提供了一种碳纳米管纤维连续通电增强的方法，其特征在于包括：

提供所述的碳纳米管纤维连续通电增强装置，

由所述处理腔室的进气口通入保护气体以排出处理腔室中的空气，进而在所述处理腔室中形成无氧环境，

将所述两个电极与电源连接，并使由放线装置释放的碳纳米管纤维连续通过处理腔室并被收线装置收集，在所述处理腔室中，所述碳纳米管纤维与所述电极欧姆接触而被通电。

进一步的，所述碳纳米管纤维由所述两个电极之间通过并分别与所述两个电极的不同侧接触。

更进一步的，所述保护气体包括惰性气体或氮气；所述保护气体气体流量为0.5-5SLM。

更进一步的，所述两个电极之间的电压为0.01-220v。

进一步的，所述放线装置上还设置有阻尼器，所述阻尼器至少用于对连续运动于放线装置和收线装置之间的所述碳纳米管纤维施加拉伸张力。

优选的，所述拉伸张力的大小为0.01-10N。

进一步的，所述收线装置的收集速度为0.01-50cm/s。

与现有技术相比，本发明的优点包括

1)本发明实施例提供的一种碳纳米管纤维连续通电增强装置可实现碳纳米管纤维“卷对卷”连续处理，进而实现碳纳米管纤维批量化增强；

2)采用本发明实施例提供的一种碳纳米管纤维连续通电增强装置处理后的碳纳米管纤维增强机制为纤维内碳纳米管管间作用力C-C化学键增强，纤维载荷、强度提高；

3)采用本发明实施例提供的一种碳纳米管纤维连续通电增强装置处理后的碳纳米管纤维为全碳纤维，具有高的稳定性，在较高温度下仍能维持高的力学强度。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中一种碳纳米管纤维连续通电增强装置的结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例中碳纳米管纤维与石墨电极的配合的结构示意图；

图3是本发明实施例1中经连续通电增强处理前后的碳纳米管纤维力学拉伸特性曲线；

图4是本发明实施例2中经连续通电增强处理前后的碳纳米管纤维力学拉伸特性曲线；

图5是本发明实施例3中经连续通电增强处理前后的碳纳米管纤维力学拉伸特性曲线。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明提供了一种可以实现碳纳米管纤维“卷对卷”连续通电增强的装置与方法，实现了碳纳米管纤维的批量化增强后处理，整个装置与工艺简单易行，成本低廉。

本发明提供了一种可实现纤维大规模连续增强的装置与方法，处理后的碳纳米管纤维内碳纳米管管间作用力大幅度提升，且所得到的的纤维为全碳纤维，力学与电学性能优异。

请参阅图1，本发明一典型实施案例中提供的一种碳纳米管纤维连续通电增强装置，其包括放线装置1、收线装置5以及设置在放线装置1、收线装置5之间并可供碳纳米管纤维连续通过的处理腔室4，该处理腔室4中间隔设置有两个电极6，电极6与电源电连接，且碳纳米管纤维通过该处理腔室4时能够与两个电极6欧姆接触。

具体的，该处理腔室4的两端具有可供碳纳米管纤维连续通过、并可供处理腔室4中的气体排出的两个出气孔2，以及，该处理腔室4的一侧还设置有进气口3，该进气口3与供气机构连接，经由该进气口3可以向处理腔室4中导入保护气体以将处理腔室4中的空气排出，进而在对碳纳米管纤维进行通电处理过程中将处理腔室4中形成无氧环境。

具体的，进气口3和出气口2的直径为2-10mm。

具体的，该处理腔室4的材质可以是石英或硼硅玻璃等耐高温且可观察到处理腔室内部情况的材料。

具体的，电极6可以是石墨电极，且石墨电极的表面光滑，例如，该石墨电极可以是直径为5-30mm的石墨棒，石墨棒电极可以提供与碳纳米管纤维间稳定的欧姆接触，在碳纳米管纤维滑动过程中对碳纳米管纤维无损伤。

具体的，相邻两个石墨电极之间的间距为2-30cm。

具体的，该放线装置上设置有阻尼器，该阻尼器至少用于对连续运动于放线装置和收线装置之间的所述碳纳米管纤维施加拉伸张力。

在一些较为具体的实施方案中，采用该碳纳米管纤维连续通电增强装置对碳纳米管纤维进行处理的过程可以包括：

提供如图1所示的碳纳米管纤维连续通电增强装置，并使两个电极与电源连接，两个电极之间的电压为0.0.1-220v，经由进气口向处理腔室中导入保护气体以排出处理腔室中的空气，进而在处理腔室中形成无氧环境，该保护气体可以是惰性气体或氮气，其中保护气体气体的通入流量为0.5-5SLM；

使碳纳米管纤维由放线装置经处理腔室的一端的出气孔进入处理腔室中，碳纳米管纤维由处理腔室的另一端的出气孔伸出处理腔室并被收线装置收集；其中，调节放线装置上的阻尼器，以在放线装置释放碳纳米管纤维的同时对所述碳纳米管纤维施加0.01-10N拉伸张力，并控制收线装置的收集速度为0.01-50cm/s；

在处理腔室中碳纳米管纤维依次与两个电极欧姆接触，碳纳米管纤维分别与两个电极的上下面接触，以保证碳纳米管纤维与电极紧密接触，其中，碳纳米管纤维与两个电极的配合方式可以参照图2所示。

实施例1

提供如图1所示的碳纳米管纤维连续通电增强装置以及原始强度为1.20N/tex的纤维，并采用该碳纳米管纤维连续通电增强装置对碳纳米管纤维进行通电处理；

设置两个电极的间距为3cm，气体通入流量为0.5SLM氩气，阻尼器的拉伸张力为1.5N为，两个电极之间的电压25V，收线装置收集速率0.6cm/s；对处理后的碳纳米管纤维进行性能测试，测试后的力学强度曲线如图3所示，由图3可知，处理后的碳纳米管纤维的力学强度增强了30％。

实施例2

提供如图1所示的碳纳米管纤维连续通电增强装置以及原始强度为0.79N/tex的纤维，并采用该碳纳米管纤维连续通电增强装置对碳纳米管纤维进行通电处理；

设置两个电极的间距为10cm，气体通入流量为2SLM氩气，阻尼器的拉伸张力为1N为，两个电极之间的电压70V，收线装置收集速率5cm/s；对处理后的碳纳米管纤维进行性能测试，测试后的力学强度曲线如图4所示，由图4可知，处理后的碳纳米管纤维的力学强度增强了23％。

实施例3

提供如图1所示的碳纳米管纤维连续通电增强装置以及原始强度为1.02N/tex的纤维，并采用该碳纳米管纤维连续通电增强装置对碳纳米管纤维进行通电处理；

设置两个电极的间距为30cm，气体通入流量为3SLM氩气，阻尼器的拉伸张力为2N为，两个电极之间的电压120V，收线装置收集速率10cm/s；对处理后的碳纳米管纤维进行性能测试，测试后的力学强度曲线如图5所示，由图5可知，处理后的碳纳米管纤维的力学强度增强了25％。

本发明实施例提供的一种碳纳米管纤维连续通电增强装置可实现碳纳米管纤维“卷对卷”连续处理，进而实现碳纳米管纤维批量化增强；以及，采用本发明实施例提供的一种碳纳米管纤维连续通电增强装置处理后的碳纳米管纤维增强机制为纤维内碳纳米管管间作用力C-C化学键增强，纤维载荷、强度提高；另外，采用本发明实施例提供的一种碳纳米管纤维连续通电增强装置处理后的碳纳米管纤维为全碳纤维，具有高的稳定性，在较高温度下仍能维持高的力学强度。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。