[发明专利]一种取向螺旋碳纳米管纤维及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于纳米技术领域，具体涉及一种取向螺旋碳纳米管纤维及其制备方法和用途。

背景技术

碳纳米管具有新奇的结构和出色的性能，例如它非常轻，具有非常大的比表面积，优异的电学性能，同时也是目前发现强度最大的人造材料。为了更方便的使用碳纳米管，人们把碳纳米管纺成连续的宏观的碳纳米管纤维。这种纤维由取向的、螺旋排列的碳纳米管组成，具有很高的力学强度和很高的电导率，故而碳纳米管纤维具有广泛的应用前景。例如，其可以作为电极应用在染料敏化太阳能电池上，也可以和共轭高分子复合，作为一种对电流敏感的变色材料使用。

多年来，人们对能够直接把电能转化为机械能的材料进行了广泛研究，例如铁电材料，导电高分子和高分子凝胶。但是这些材料都有一定的局限性，例如往往需要很高的电压电场、循环寿命比较低、能量密度比较低、需要在特定的介质中使用、不能产生旋转力等等。因此，人们开始研究能够在各种介质中长期使用的材料，或者电能直接转换为转动机械能的材料。

发明内容

本发明目的是为了解决现有将电能转化为机械能材料，存在的需要很高的电压电场、循环寿命比较低，能量密度比较低、需要在特定的介质中使用、不能产生旋转力等问题，提供一种具有很高的机械强度和电导率的取向螺旋碳纳米管纤维及其制备方法及和用途。

为了实现发明目的，本发明公开了一种取向螺旋碳纳米管纤维的制备方法，具体步骤为：

(1) 合成可用于纺丝的碳纳米管阵列

以Si/SiO₂/Al₂O₃/Fe为合成催化剂，其中，SiO₂为基底，中间Al₂O₃为缓冲层，厚度为10-30 nm，Fe厚度为0.5-1.5 nm，以电子束蒸发镀膜仪在硅片上沉积制备获得；在管式炉中，以乙烯为碳源，氩气和氢气为载气，在上述催化剂基底上合成高度取向的碳纳米管阵列，其中，控制乙烯流量为190-290 sccm，氩气流量为400-620 sccm，氢气流量为20-48 sccm，合成时间为5-100 min，得到可纺丝的碳纳米管阵列；

 (2) 合成取向螺旋碳纳米管纤维

从步骤（1）得到的碳纳米管阵列中拉出碳纳米管带，以带有尖头探针的纺锤将所拉出的碳纳米管带连接起来后匀速旋转纺出纤维，再用乙醇处理，得到取向螺旋碳纳米管纤维，其中，控制纺丝转速为100-8000 r/min，拉出速度为0.5-5 cm/s，单根碳管纤维拉出长度为1cm-100m。 

本发明公开了上述制备方法得到的一种取向螺旋碳纳米管纤维，该纤维中的碳纳米高度有序排列，纤维螺旋度(纤维螺旋方向与水平方向的夹)角为0-60度，纤维直径为16-20μm。

所述取向螺旋碳纳米管纤维可用于制造人造肌肉。

所述取向螺旋碳纳米管纤维可用于制造电动马达。

所述取向螺旋碳纳米管纤维在药物释放载体中的应用。

本发明所述取向螺旋碳纳米管纤维在电流作用下具有明显而快速的力学响应，且其制备方法简单、具有很高的机械强度和电导率，将本材料与多种具有导电特性的材料及结构组合，可在人造肌肉、药物释放以及机械工程方面展现出广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

 图1. 碳管纤维的扫描电子显微镜照片。其中，(a)为右旋的碳管纤维；(b)为左旋的碳管纤维；(c)为(b)的放大照片。 

 图2. 碳管纤维通电时产生轴向的收缩和径向的转动。其中，(a)为碳管纤维通电时产生长度方向的收缩和径向的转动的示意图，Fz和Ft分别表示收缩力和转动力；(b)为给碳管纤维施加脉冲电流时，轴向收缩的应力；(c)为对碳管纤维施加(b)中脉冲电流时，所产生的轴向收缩强度对循环次数作图；(d)为给碳管纤维施加线性变化的电流所产生轴向收缩的应力曲线；(e)为给不同螺旋度的碳管纤维施加5 mA的电流时产生的轴向收缩强度。

图3. 碳管纤维用于电动马达图示。其中，(a)为转动马达装置及其转动的示意图；(b)为转动角度y的大小与所施加电流大小的关系图；(c)为sin(y)与所施加电流大小的关系图，虚线为拟合曲线，证明转动力矩的大小和电流的二次方成正比；(d)为转动角度与脉冲电流循环次数的关系图。 

图4. 碳管纤维用于药物释放图示。其中，(a)为通电时，药物从碳管纤维中被挤出释放的示意图；(b)为用紫外可见光度计检测释放药物的吸收强度。