水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于智能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水作為一種非常重要的環(huán)境刺激物，可以誘發(fā)不同生命系統(tǒng)從而保證大自然生命的可持續(xù)發(fā)展，尤其是植物體中的運動和運輸。例如樹葉向上生長是因為內(nèi)部水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的收縮，松果開裂是緣于水分的吸收后的膨脹，麥芒鉆入土壤中是由于濕度變化導(dǎo)致的運動。這些行為都是基于植物體內(nèi)具有微米級并且可進行水分運輸?shù)睦w維束對于水分吸收和蒸發(fā)而產(chǎn)生的膨脹和收縮。而且在這些生物材料中，多級組裝結(jié)構(gòu)對于實現(xiàn)這些功能是至關(guān)重要的。例如，絲瓜卷須在與水接觸后發(fā)生拉伸是在由于卷須上的多級螺旋結(jié)構(gòu)所致，該結(jié)構(gòu)從微觀到宏觀分別由分子、微纖維、纖維束、細胞、卷須細絲以及宏觀的具有螺旋結(jié)構(gòu)的卷絲上排列而成。
[0003]受到大自然的啟發(fā)，一系列的材料，包括高分子、形狀記憶合金，金屬氧化物和陶瓷，都已經(jīng)被設(shè)計成為多級結(jié)構(gòu)用于驅(qū)動裝置。這些層狀材料可以將外部刺激，如:電、溫度、磁和溶劑，轉(zhuǎn)換為內(nèi)部的機械能。然而，它們一般都會制備成膜狀材料從而朝著特定的取向彎曲，或者制備成塊體材料從而進行簡單的膨脹和收縮。這些材料都比較難以實現(xiàn)自然界一些可控且復(fù)雜形變。
[0004]碳納米管是近幾年發(fā)展迅速的一種驅(qū)動材料，由于其獨特的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的力學、電學和熱學性能從而獲得廣泛應(yīng)用。特別是取向的碳納米管纖維能夠?qū)胃技{米管的優(yōu)異性能在宏觀上得到廣泛應(yīng)用。目前為止，碳納米管纖維的驅(qū)動器件基于熱、電化學和電磁原理下均表現(xiàn)出了很好的驅(qū)動性能。但是，目前為止，由于碳納米管本身的疏水性能，這種具有優(yōu)異性能的碳納米管纖維對于水以及水蒸氣的驅(qū)動還沒有報道，限制了其應(yīng)用。因此，我們亟需發(fā)明一種基于碳納米管的材料，在實現(xiàn)復(fù)雜及變形可控的同時，能對水刺激進行響應(yīng)并具有較高的驅(qū)動性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種力學性能和電學性能良好的水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維及其制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維及其制備方法，以碳納米管纖維作為基本構(gòu)型，通過氧等離子體處理，使得碳納米管表面親水，進而將多根親水的碳納米管纖維加捻，制備得到水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維。
[0007]本發(fā)明從化學氣相沉積方法合成的碳納米管陣列中直接紡出碳納米管纖維，用等離子體處理，再將多根處理后的碳納米管纖維進行加捻，形成具有親水性的多級管道碳納米管纖維；該纖維在接觸水之后由于水滲透進入親水性的微米級和納米級的管道中，使得纖維膨脹從而在徑向上產(chǎn)生收縮以及軸向上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)；該纖維發(fā)生的可逆響應(yīng)，可以重復(fù)上百次而沒有明顯的衰減和疲勞；且其變形能力可隨氧等離子體處理的條件不同而發(fā)生相應(yīng)改變。另外，碳納米管的引入大幅增強了材料的力學和熱學性能，同時也賦予材料優(yōu)異的電學性能。
[0008]本發(fā)明所述水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維制備方法，具體步驟如下:
(1)通過化學氣相沉積方法合成碳納米管陣列；
(2)干法紡絲獲得一級管道碳納米管纖維；
(3)用氧等離子體處理碳納米管纖維；
(4)將若干根處理后的碳納米管纖維并排，進行加捻纏繞。
[0009]步驟(3)中，所述用氧等離子體處理碳納米管纖維，其中，氧氣流量為50-1000毫升/分鐘(優(yōu)選氧氣流量50-300毫升/分鐘)，功率為100瓦-900瓦(優(yōu)選功率100-300瓦)，處理的時間為1秒-90分鐘(優(yōu)選處理的時間1-15分鐘)。
步驟(4)中，所述處理后的碳納米管纖維的根數(shù)從2根-100根；加捻纏繞形成的螺旋角從8度-43度。得到的水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維同時具有纖維和纖維之間的親水性的微米級管道以及纖維內(nèi)部碳納米管之間的親水性的納米級管道。其中親水性的納米級管道寬度為20-200納米，親水性的微米級管道寬度為1-10微米。
[0010]根據(jù)上述制備方法制備的水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維，在接觸水之后在徑向上產(chǎn)生收縮以及軸向上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)；該纖維發(fā)生的可逆響應(yīng)，可以重復(fù)上百次而沒有明顯的衰減和疲勞；該纖維的收縮和旋轉(zhuǎn)性能隨氧等離子體處理的條件不同而發(fā)生相應(yīng)改變。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
得到的水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維由于表面經(jīng)過氧官能團化處理在不需要引入親水高分子即可對水發(fā)生收縮和旋轉(zhuǎn)響應(yīng)。該多級管道的碳納米管纖維通過結(jié)構(gòu)設(shè)計同時具有親水性的微米級和納米級管道，該纖維在接觸水之后由于水滲透進入親水性的微米級和納米級的管道中，可實現(xiàn)快速收縮和旋轉(zhuǎn)響應(yīng)。多級管道碳納米管纖維對水產(chǎn)生的收縮應(yīng)力可達24 MP以上，大大高于自然肌肉，可以作為人工肌肉使用。同時對水產(chǎn)生的扭矩可達0.4 N.m/kg，接近商業(yè)電機。
【附圖說明】
[0012]圖1，制備水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維的示意圖。
[0013]圖2，水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維的收縮和旋轉(zhuǎn)示意圖。
[0014]圖3，本發(fā)明水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維的收縮和旋轉(zhuǎn)性能表征。其中，(a)該纖維在接觸和移除水滴的典型收縮應(yīng)力曲線和相對應(yīng)的收縮速率曲線；(b)該纖維在濕度變化過程中典型收縮應(yīng)力曲線；(c)該纖維在接觸水并保持2000 s的收縮應(yīng)力曲線；(d)；該纖維在接觸和移除水循環(huán)150次的收縮應(yīng)力曲線(e);該纖維在接觸水后的單位長度的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和轉(zhuǎn)速與時間關(guān)系曲線；(f)該纖維的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。
[0015]圖4，本發(fā)明水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維和一級管道碳納米管的收縮和旋轉(zhuǎn)性能對比。其中，(a-d)分別為由10根一級管道碳納米管纖維加捻得到的多級管道碳納米管纖維和10層碳納米管薄膜加捻得到的一級管道碳納米管纖維的收縮應(yīng)力，收縮速率，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和轉(zhuǎn)速的對比圖。
[0016]圖5，本發(fā)明水驅(qū)動的多級管道碳納米管纖維在窗戶方面的應(yīng)用照片。在滴加水滴時窗戶很快打開，移除水滴后窗戶很快關(guān)閉。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
(1)碳納米管陣列的合成
采用化學氣相沉積法(CVD)生長高度取向的碳納米管陣列，催化劑為Fe (1.2 nm) /A1203 (3 nm) /Si, A1203和Fe是利用電子束蒸發(fā)儀依次沉積在硅片上，其中A1 203層作為緩沖層，F(xiàn)e作為催化劑。乙稀(90 cm3/min)作為碳源，氫氣(30 cm3/min)和氬氣(400 cm3/min)作為載氣，在管式爐中740 °(:下生長十分鐘。
[0018](2) —級管道碳納米管纖維的制備
將得到的碳納米管陣列拉出的碳納米管薄膜以2000 rpm的速度加捻，可得到一級碳納米管纖維。如圖1，得到的一級管道碳納米管纖維具有納米級管道(從20到200納米)，并且具有28°的螺旋角。插入照片為對水滴的接觸角