一種彈簧狀碳納米管纖維及其制備方法和用途
【專利摘要】本發(fā)明屬于納米【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種彈簧狀碳納米管纖維及其制備方法和用途。本發(fā)明以氣相沉積法合成高度取向的可紡碳納米管陣列；利用加捻工藝得到初級(jí)碳納米管纖維，并將數(shù)十根初級(jí)碳納米管纖維排成一股，進(jìn)一步加捻得到彈簧狀碳納米管纖維。由本發(fā)明得到的彈簧狀碳納米管纖維具有大量納米級(jí)和微米級(jí)的螺旋管道結(jié)構(gòu)；不會(huì)發(fā)生打結(jié)和自纏繞；該纖維具有很高的拉伸應(yīng)變，較高的力學(xué)強(qiáng)度以及優(yōu)異的導(dǎo)電性能。該纖維對(duì)揮發(fā)性溶劑與蒸氣同時(shí)具有轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速高，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大，扭轉(zhuǎn)力矩大，其收縮響應(yīng)迅速，收縮力大，旋轉(zhuǎn)與收縮響應(yīng)重復(fù)性好?？蓱?yīng)用于溶劑驅(qū)動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換、智能織物、感應(yīng)器件等。
【專利說明】
一種彈簧狀碳納米管纖維及其制備方法和用途

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種彈簧狀碳納米管纖維及其制備方法和用途。

【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境敏感變形材料在驅(qū)動(dòng)器件、感應(yīng)器件、人工肌肉和智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其中，對(duì)溫度、pH、濕度、光照和溶劑等環(huán)境刺激具有變形響應(yīng)性的敏感材料，如水凝膠、液晶高分子和形狀記憶高分子等，引起了學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并取得了一系列積極進(jìn)展。這類合成高分子材料普遍具有高響應(yīng)形變的優(yōu)點(diǎn)，但其較慢的響應(yīng)速率、較小的響應(yīng)應(yīng)力以及單一不可控的變形響應(yīng)，極大地限制了他們的實(shí)際應(yīng)用。
[0003]因?yàn)楠?dú)特的一維納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，碳納米管被廣泛研究作為一類高性能納米材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。將碳納米管組裝成宏觀結(jié)構(gòu)，如纖維、薄膜等，是拓展其應(yīng)用的一個(gè)重要手段。其中，碳納米管纖維成為了一個(gè)非常重要的研究方向。碳納米管纖維是由成千上萬沿軸向螺旋排列的碳納米管所構(gòu)成，具有高比表面積、高力學(xué)性能、高導(dǎo)電特性等優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)很多溶劑具有很好的浸潤性，該類材料在智能材料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于解決傳統(tǒng)的環(huán)境敏感材料對(duì)環(huán)境刺激變形響應(yīng)性存在的較慢的響應(yīng)速率、較小的響應(yīng)應(yīng)力以及單一不可控的變形響應(yīng)等問題,提供一種對(duì)揮發(fā)性溶劑或蒸氣具有快速可逆的轉(zhuǎn)動(dòng)和收縮響應(yīng)的彈簧狀碳納米管纖維及其制備方法和用途。
[0005]本發(fā)明從化學(xué)氣相沉積法合成的碳納米管陣列直接紡出初級(jí)碳納米管纖維；通過加捻工藝對(duì)多根初級(jí)纖維進(jìn)行螺旋構(gòu)筑，制備得彈簧狀碳納米管纖維；該纖維對(duì)揮發(fā)性溶劑與蒸氣同時(shí)具有轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速高，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大，扭轉(zhuǎn)力矩大；其收縮響應(yīng)迅速,收縮力大；轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)重復(fù)性好。
[0006]本發(fā)明的彈簧狀碳納米管纖維的制備方法，具體步驟為:
(1)通過化學(xué)氣相沉積法合成可用于紡絲的碳納米管陣列；
(2)干法紡絲獲得初級(jí)碳納米管纖維；
(3)對(duì)多根初級(jí)纖維進(jìn)一步加捻，獲得彈簧狀碳納米管纖維。
[0007]本發(fā)明的步驟(2)中，所述干法紡絲樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)速與收集滾筒轉(zhuǎn)速之比為0-10000，優(yōu)選轉(zhuǎn)速之比為1-2000，更優(yōu)選轉(zhuǎn)速之比為10-1000。
[0008]本發(fā)明的步驟(3)中，所述初級(jí)碳納米管纖維的數(shù)量大于1，長(zhǎng)度大于I cm，加捻時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于I r/min ;優(yōu)選初級(jí)碳納米管纖維的數(shù)量為5-100,長(zhǎng)度為2-50 cm,加搶時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為5-300 r/min ;更優(yōu)選初級(jí)碳納米管纖維的數(shù)量為5-50，長(zhǎng)度為5-20 cm,加捻時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為50-500 r/min。
[0009]由本發(fā)明制備的上述彈簧狀纖維中，初級(jí)碳納米管纖維的螺旋角度為0-45°，優(yōu)選螺旋角度為15-45°，該彈簧狀纖維內(nèi)部存在豐富的納米和微米尺度的多級(jí)孔隙，為溶劑浸潤提供了大量空間；彈簧狀纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不發(fā)生自纏繞，且具有良好的力學(xué)強(qiáng)度和柔性；彈簧狀纖維對(duì)于揮發(fā)性溶劑與蒸氣有快速可逆的轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)。
[0010]本發(fā)明制備的上述彈簧狀碳納米管纖維，其內(nèi)部具有大量納米級(jí)與微米級(jí)的管道；由于多級(jí)管道的毛細(xì)作用，該類彈簧狀纖維對(duì)于揮發(fā)性溶劑和蒸氣具有快速、可逆和高應(yīng)力(旋轉(zhuǎn))輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)；旋轉(zhuǎn)與收縮響應(yīng)重復(fù)性好。具體地說，上述彈簧狀碳納米管纖維，接觸揮發(fā)性溶劑或蒸氣時(shí)，同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮，待溶劑揮發(fā)后，纖維回復(fù)至初始狀態(tài)，該過程可重復(fù)五十次以上沒有明顯的衰減。該類材料可應(yīng)用于溶劑快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)，制備感應(yīng)器件、制備能量轉(zhuǎn)換器件、制備智能響應(yīng)織物等領(lǐng)域。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
彈簧狀碳納米管纖維內(nèi)部存在大量納米級(jí)與微米級(jí)的管道，提供了揮發(fā)性溶劑浸潤的空間，通過多級(jí)管道的毛細(xì)作用，彈簧狀纖維在溶劑浸潤時(shí)產(chǎn)生了極為快速的收縮響應(yīng)(響應(yīng)時(shí)間〈45 ms)，收縮力達(dá)到1.5 MPa，是自然界骨骼肌收縮力的15倍；轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)達(dá)到2050 r/m，是基于壓電陶瓷和導(dǎo)電高分子扭轉(zhuǎn)器件轉(zhuǎn)數(shù)的14倍，轉(zhuǎn)速達(dá)到每米6361r/min,初始扭轉(zhuǎn)力矩達(dá)到0.63 N.m/kg,與商業(yè)化的電機(jī)相近；該收縮與轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)具有良好的可重復(fù)性；解決了傳統(tǒng)合成高分子類環(huán)境響應(yīng)材料較慢的響應(yīng)速率、較小的響應(yīng)應(yīng)力以及單一不可控的變形響應(yīng)等問題。本方法制備簡(jiǎn)單，可以推廣應(yīng)用以制備各種高性能的環(huán)境響應(yīng)性變形材料。此外，該彈簧狀碳納米管纖維在溶劑驅(qū)動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換和感應(yīng)器件等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1.彈簧狀碳納米管纖維對(duì)溶劑的收縮和旋轉(zhuǎn)響應(yīng)示意圖。
[0013]圖2.可紡碳納米管陣列制備初級(jí)碳納米管纖維裝置示意圖。
[0014]圖3.彈簧狀碳納米管纖維的制備過程示意圖。
[0015]圖4.彈簧狀碳納米管纖維的電鏡照片。其中，(a-c)彈簧狀碳納米管纖維在加捻過程中形貌演變；(d-f)彈簧狀碳納米管纖維的不同放大倍數(shù)的SEM照片。
[0016]圖5.彈簧狀碳納米管纖維對(duì)乙醇的收縮和旋轉(zhuǎn)響應(yīng)表征。其中，(a)彈簧狀纖維接觸乙醇后的收縮和回復(fù)曲線；(b)彈簧狀纖維對(duì)乙醇的收縮響應(yīng)力與初級(jí)螺旋角的關(guān)系；(C)彈簧狀纖維對(duì)乙醇的收縮響應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；(d)左旋彈簧狀纖維乙醇驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系(轉(zhuǎn)速已換算成每米);(e)彈簧狀纖維對(duì)乙醇的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；(f)彈簧狀纖維的收縮與轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)與接觸的乙醇水溶液中乙醇濃度的關(guān)系O
[0017]圖6.彈簧狀碳納米管纖維用于敏感器件圖示。其中，(a，b)左旋與右旋彈簧狀纖維分別熱定型得到的左旋彈簧對(duì)溶劑蒸氣的收縮與伸長(zhǎng)形變響應(yīng)示意圖(C)將左旋彈簧狀纖維構(gòu)筑的彈簧置于二氯甲烷液面上，V對(duì)的收縮形變的影響；(d)水、乙醇、丙酮和二氯甲烷溶劑蒸氣中左旋彈簧的收縮形變率與V的關(guān)系；(e)在i/=4.5 cm時(shí)收縮形變響應(yīng)的可重復(fù)性。
[0018]圖7.彈簧狀碳納米管纖維用于制備能量轉(zhuǎn)換器件圖示。其中，(a)彈簧狀碳納米管纖維用于制備交流發(fā)電機(jī)示意圖；(b)彈簧狀碳納米管纖維接觸乙醇后發(fā)電機(jī)的輸出電流-時(shí)間曲線；(C)圖7 (b)中灰色區(qū)域的放大圖。
[0019]圖8.彈簧狀碳納米管纖維用于智能織物圖示。其中，(a)彈簧狀纖維編織成的智能織物的快速響應(yīng)實(shí)驗(yàn)的示意圖；(b)纖維中點(diǎn)上升高度與上升速度對(duì)時(shí)間的關(guān)系；(c，d)智能織物的光學(xué)與SEM照片；(e-h)智能織物接觸乙醇后抬起一個(gè)質(zhì)量為240 mg的銅質(zhì)小球的照片。

【具體實(shí)施方式】
[0020]彈簧狀碳納米管纖維通過多根初級(jí)碳納米管纖維加捻制備，初級(jí)碳納米管通過干法紡絲制備。首先可紡碳納米管陣列通過化學(xué)氣相沉積法合成，陣列固定于可旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，從中拉出碳納米管帶，固定于收集滾筒(如圖2)。打開樣品臺(tái)和滾筒的馬達(dá)得到初級(jí)螺旋碳納米管纖維。
[0021]當(dāng)可紡碳納米管陣列寬度為I cm,樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速為O r/min,滾筒轉(zhuǎn)速為0-10 r/min,并用乙醇浸潤處理，可得到螺旋角為0°，直徑為15-20 μ m的初級(jí)碳納米管纖維；其他條件不變，調(diào)整樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速為2000 r/min或3500 r/min，可分別得到螺旋角為32°和45°，直徑為15-20 μπι的初級(jí)碳納米管纖維。
[0022]將20根長(zhǎng)度為20cm，初級(jí)螺旋角為32°的初級(jí)碳納米管纖維平行排列成一股，一端固定于一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的軸上，另一端固定于一張可移動(dòng)的紙片上，對(duì)其進(jìn)行加搶(如圖
3)，加捻至一定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，得到彈簧狀碳納米管纖維，其中電機(jī)的轉(zhuǎn)速為200 r/min。在加捻過程中，多根初級(jí)纖維擰成一股后產(chǎn)生了應(yīng)力點(diǎn)，在應(yīng)力點(diǎn)處開始形成彈簧狀的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，隨著不斷加捻，該環(huán)狀結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)展到整個(gè)纖維(如圖4)，最終得到長(zhǎng)度約為4 cm,直徑約為110 μ m的彈簧狀碳納米管纖維。其內(nèi)部存在大量納米級(jí)與微米級(jí)的管道，為溶劑的浸潤提供了大量空間，同時(shí)該纖維具有良好的力學(xué)性能和柔性，纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生自纏繞。
[0023]將5根長(zhǎng)度為20 cm，初級(jí)螺旋角為32°的初級(jí)碳納米管纖維平行排成一股，并按照上述方法可加捻得到直徑約為25 μ m，長(zhǎng)度約為4 Cm的彈簧狀碳納米管纖維，該纖維內(nèi)部存在大量納米級(jí)與微米級(jí)的管道，具有良好的力學(xué)性能和柔性，纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生自纏繞。
[0024]將100根長(zhǎng)度為20 cm，初級(jí)螺旋角為32°的初級(jí)碳納米管纖維平行排成一股，并按照上述方法可加捻得到直徑約為500 μ m，長(zhǎng)度約為4 Cm的彈簧狀碳納米管纖維，該纖維內(nèi)部存在大量納米級(jí)與微米級(jí)的管道，具有良好的力學(xué)性能和柔性，纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生自纏繞。
[0025]將20根長(zhǎng)度為5 cm，初級(jí)螺旋角為32°的初級(jí)碳納米管纖維平行排成一股，并按照上述方法可加捻得到直徑約為110 ym，長(zhǎng)度約為I cm的彈簧狀碳納米管纖維，該纖維內(nèi)部存在大量納米級(jí)與微米級(jí)的管道，具有良好的力學(xué)性能和柔性，纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生自纏繞。
[0026]將20根長(zhǎng)度為100 cm,初級(jí)螺旋角為32°的初級(jí)碳納米管纖維平行排成一股，并按照上述方法可加捻得到直徑約為110 μ m，長(zhǎng)度約為20 cm的彈簧狀碳納米管纖維，該纖維內(nèi)部存在大量納米級(jí)與微米級(jí)的管道，具有良好的力學(xué)性能和柔性，纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生自纏繞。
[0027]將20根長(zhǎng)度為20 cm，初級(jí)螺旋角分別為0°，8。，16°，32°，45°的初級(jí)螺旋碳納米管纖維分別加捻得到對(duì)應(yīng)的彈簧狀碳納米管纖維，其直徑大小和長(zhǎng)度皆相近，分別約為110 ym和4 cm ;加捻前后的初級(jí)螺旋角無變化；斷裂強(qiáng)度分別約為78 MPa，138MPa, 146 MPa, 212 MPa, 164 MPa ;斷裂伸長(zhǎng)率依次增加，分別為:130%, 209%, 225%,242%, 289%。其內(nèi)部都存在大量納米級(jí)與微米級(jí)的管道，具有良好的力學(xué)性能和柔性，纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生自纏繞。
[0028]將20根長(zhǎng)度為20 cm,初級(jí)螺旋角為32°的初級(jí)碳納米管纖維平行排成一股，加搶電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為50 r/min, 200 r/min和500 r/min時(shí),制備彈簧狀碳納米管纖維所需的時(shí)間分別為30 min, 8 min和3 min。
[0029]本發(fā)明報(bào)道了一種對(duì)溶劑與蒸氣具有快速轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)的彈簧狀碳納米管纖維及其制備方法和用途。由本發(fā)明得到的彈簧狀纖維內(nèi)部存在豐富的納米和微米尺度的多級(jí)孔隙，為溶劑浸潤提供了大量空間；彈簧狀纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不發(fā)生自纏繞，且具有良好的力學(xué)強(qiáng)度和柔性；具有很高的拉伸應(yīng)變和機(jī)械強(qiáng)度以及良好的導(dǎo)電性能。該纖維對(duì)揮發(fā)性溶劑與蒸氣同時(shí)具有轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速高，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大，扭轉(zhuǎn)力矩大；其收縮響應(yīng)迅速,收縮力大；轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)重復(fù)性好。
[0030]實(shí)施例1彈簧狀碳納米管纖維在實(shí)現(xiàn)快速驅(qū)動(dòng)響應(yīng)中的應(yīng)用
本發(fā)明實(shí)施了彈簧狀碳納米管纖維對(duì)乙醇的收縮與轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)。將長(zhǎng)度為I Cm，初級(jí)螺旋角為32°的左旋彈簧狀碳納米管纖維的兩端裝夾于萬能拉力試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)夾頭上，施加以1.5 MPa的應(yīng)力，在過加捻纖維接觸乙醇液滴時(shí)記錄此時(shí)產(chǎn)生的收縮力。
[0031]圖5 (a)表明彈簧狀纖維在接觸乙醇液滴0.5 s后，其收縮力就達(dá)到了 1.0 MPa,體現(xiàn)了快速的收縮響應(yīng)；圖5 (b)表明彈簧狀纖維在螺旋角為32°時(shí)收縮力達(dá)到最大值
1.5MPa，該收縮應(yīng)力是自然界骨骼肌收縮應(yīng)力的15倍；圖5 (c)表明該收縮響應(yīng)具有良好的可重復(fù)性，在循環(huán)測(cè)試30次后，產(chǎn)生的收縮力無明顯衰減。
[0032]為了測(cè)試過加捻纖維的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)，將一塊質(zhì)量為75 mg的矩形銅片固定于長(zhǎng)度為2 cm的左旋初級(jí)螺旋角為32°的彈簧狀過加捻纖維的底端，銅片上固定一根長(zhǎng)度為1.2 cm的雙色紙條用以記錄纖維旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，紙條的旋轉(zhuǎn)由高速數(shù)碼相機(jī)(400幀/秒)記錄。通過逐巾貞分析，旋轉(zhuǎn)的角度可以由公式β =90°- arcsin(t//7)計(jì)算,取紙條長(zhǎng)度的一半7為6 _，?/為藍(lán)色紙條投影的長(zhǎng)度，對(duì)其分析處理可以得到轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系。圖5 (d)表明左旋彈簧狀纖維對(duì)乙醇響應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)達(dá)到2050 r/m，是基于壓電陶瓷和導(dǎo)電高分子扭轉(zhuǎn)器件轉(zhuǎn)數(shù)的14倍；在懸掛重物質(zhì)量為彈簧狀碳納米管纖維本身的570倍時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)過程最高可達(dá)到每米6361 r/min的轉(zhuǎn)速；在乙醇的浸潤過程中，彈簧狀過加捻纖維的初始扭轉(zhuǎn)力矩達(dá)到0.63 N.m/kg,與商業(yè)化的電機(jī)相近；圖5 (e)表明其轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)具有較好的往復(fù)可逆性，證明彈簧狀過加捻碳納米管纖維具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；圖5 (f)表明該彈簧狀纖維在接觸不同濃度的乙醇水溶液液滴時(shí)，產(chǎn)生不同程度的收縮與轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)。隨著乙醇濃度的升高，收縮力變大，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)變多。此外，改變初級(jí)碳納米管纖維的螺旋方向，可改變其旋轉(zhuǎn)方向。比如，由右旋的初級(jí)碳納米管纖維構(gòu)筑得到的彈簧狀碳納米管纖維在接觸溶劑或蒸氣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)。
[0033]綜上表明，該類彈簧狀碳納米管纖維對(duì)揮發(fā)性溶劑與蒸氣同時(shí)具有轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速高，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大，扭轉(zhuǎn)力矩大；其收縮響應(yīng)迅速，收縮力大；轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)重復(fù)性好。表明該類纖維在智能驅(qū)動(dòng)和響應(yīng)材料制備等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前旦
O
[0034]實(shí)施例2彈簧狀碳納米管纖維在感應(yīng)器件中的應(yīng)用
彈簧狀碳納米管纖維對(duì)溶劑與蒸氣的轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)中轉(zhuǎn)動(dòng)方向是由彈簧狀纖維中初級(jí)碳納米管纖維的螺旋方向決定的，左旋與右旋彈簧狀纖維分別產(chǎn)生順時(shí)針與逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)。具有左旋與右旋手性的彈簧狀碳納米管纖維可以進(jìn)一步通過熱濕定型法分別制備得到對(duì)應(yīng)的左旋彈簧。上述兩種彈簧可對(duì)溶劑或蒸氣分別產(chǎn)生截然相反的收縮與伸長(zhǎng)響應(yīng)，如圖
6(a, b)。
[0035]將一根由左旋彈簧狀纖維定型得到的彈簧靠近二氯甲烷液體的液面時(shí)，彈簧產(chǎn)生顯著的收縮，這是由左旋彈簧狀纖維自身的收縮與順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)共同作用的結(jié)果；由右旋彈簧狀纖維纏繞得到的彈簧對(duì)二氯甲烷蒸氣產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變的響應(yīng)，表明了右旋彈簧狀纖維的轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)(使彈簧伸長(zhǎng))對(duì)彈簧變形的貢獻(xiàn)要大于收縮響應(yīng)(使彈簧縮短)。
[0036]如圖6 (C)隨著左旋彈簧與溶劑液面距離的減小，彈簧的收縮形變不斷增大，在距離液面6 cm處達(dá)到最大收縮形變59%。
[0037]如圖6 (d)該收縮響應(yīng)的敏感度對(duì)所使用的溶劑或蒸氣具有選擇性。例如該彈簧對(duì)水蒸氣無收縮響應(yīng)，而控制彈簧距離液面同一高度依次考察其對(duì)乙醇、丙酮、二氯甲烷的收縮響應(yīng)性，響應(yīng)的敏感度則依次上升。
[0038]如圖6 Ce)該收縮同時(shí)具有良好的可重復(fù)性，以乙醇為例考察左旋彈簧距離液面
4.5cm重復(fù)50次收縮響應(yīng),形變程度無明顯下降
由彈簧狀碳納米管纖維纏繞得到的左旋彈簧具有對(duì)溶劑蒸氣刺激的形變響應(yīng)，對(duì)不同的溶劑具有不同靈敏度的響應(yīng)性；其形變響應(yīng)的伸長(zhǎng)或縮短則取決與彈簧狀纖維的左旋或右旋結(jié)構(gòu)，具有良好的可控性。表明該彈簧狀碳納米管纖維在感應(yīng)器件領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。
[0039]實(shí)施例3彈簧狀碳納米管纖維在能量轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
鑒于彈簧狀碳納米管纖維對(duì)乙醇浸潤具有快速且可逆的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)，本發(fā)明構(gòu)建了以彈簧狀纖維為驅(qū)動(dòng)源的交流發(fā)電裝置，將旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。
[0040]如圖7 (a)所示，自制了一個(gè)直徑為1.3 cm、150匝的銅線圈，將其連接在長(zhǎng)度為4 cm的由50根螺旋角為32°的初級(jí)纖維合成的左旋彈簧狀碳納米管纖維下端，在銅線圈的附近放置一塊條形磁鐵，一極靠近線圈，使用Keithley 2400源表記錄彈簧狀碳納米管纖維接觸乙醇噴霧時(shí)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的交流電流。得益于碳納米管纖維優(yōu)異的導(dǎo)電性，該彈簧狀碳納米管纖維在作為驅(qū)動(dòng)源的同時(shí)，也起到了導(dǎo)線的作用。
[0041]當(dāng)左旋彈簧狀過加捻碳納米管纖維接觸乙醇噴霧時(shí)，纖維發(fā)生了順時(shí)針的快速旋轉(zhuǎn)，乙醇揮發(fā)之后，纖維逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)回復(fù)，該過程中產(chǎn)生了交流電。由圖7(b，c)，在此過程中，纖維順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 9圈，逆時(shí)針回復(fù)了 7圈，往復(fù)大致相同，纖維旋轉(zhuǎn)圈數(shù)較少的原因可能與外部連接銅圈導(dǎo)線的限制有關(guān)。在乙醇浸潤過程發(fā)生的纖維順時(shí)針旋轉(zhuǎn)過程中，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生了 0.11 mA的最大電流。由此表明，該彈簧狀碳納米管纖維可用于制備新型的能源轉(zhuǎn)換器件。
[0042]實(shí)施例4彈簧狀碳納米管纖維在智能織物中的應(yīng)用
鑒于該彈簧狀纖維具有較好的強(qiáng)度、柔性以及對(duì)溶劑與蒸氣的快速收縮響應(yīng)，本發(fā)明以左旋彈簧狀纖維編織了纖維間距約為I mm的智能織物，如圖8(c，d)。由于溶劑驅(qū)動(dòng)的快速收縮響應(yīng)，將乙醇噴霧在該織物上后，超過織物本身質(zhì)量100倍的重為240 mg的銅質(zhì)小球被抬升了 4.5 mm,該響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到毫秒級(jí),如圖8 (e, f)。在初始的50 ms中，該智能織物產(chǎn)生了 49 W/kg的功輸出，這與哺乳動(dòng)物骨骼肌的功輸出(50 W/kg)相同。
[0043]該彈簧狀碳納米管纖維編織形成的智能織物對(duì)溶劑與蒸氣響應(yīng)速度快，同時(shí)具有較高的輸出功率，有望在智能驅(qū)動(dòng)器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.一種彈簧狀碳納米管纖維的制備方法，其特征在于步驟具體為: (1)通過化學(xué)氣相沉積法合成可用于紡絲的碳納米管陣列； (2)干法紡絲獲得初級(jí)碳納米管纖維； (3)對(duì)多根初級(jí)纖維進(jìn)一步加捻，獲得彈簧狀碳納米管纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于:步驟(2)中，所述干法紡絲樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)速與收集滾筒轉(zhuǎn)速之比的范圍為0-10000。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于:步驟(2)中，所述干法紡絲樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)速與收集滾筒轉(zhuǎn)速之比為0-10000。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述制備方法，其特征在于:步驟(3)中，所述初級(jí)碳納米管纖維的數(shù)量大于I，長(zhǎng)度大于I Cm，加搶時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于I r/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述制備方法，其特征在于:步驟(3)中，所述初級(jí)碳納米管纖維的數(shù)量為5-100，長(zhǎng)度為2-50 cm，加捻時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為5-300 r/min。
6.一種由權(quán)利要求1-5之一所述的制備方法得到的彈簧狀碳納米管纖維，其特征在于:該類彈簧狀碳納米管纖維具有大量納米級(jí)與微米級(jí)的管道；由于多級(jí)管道的毛細(xì)作用，該類彈簧狀纖維對(duì)于揮發(fā)性溶劑和蒸氣具有快速、可逆和高應(yīng)力輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)與收縮響應(yīng)；旋轉(zhuǎn)與收縮響應(yīng)重復(fù)性好。
7.如權(quán)利要求6所述的彈簧狀碳納米管纖維在實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用。
8.如權(quán)利要求6所述的彈簧狀碳納米管纖維在制備感應(yīng)器件中的應(yīng)用。
9.如權(quán)利要求6所述的彈簧狀碳納米管纖維在制備能量轉(zhuǎn)換器件中的應(yīng)用。
10.如權(quán)利要求6所述的彈簧狀碳納米管纖維在制備智能響應(yīng)織物中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】D02G3/26GK104294434SQ201410374822
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】彭慧勝, 陳培寧, 徐一帆, 何思斯 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)