技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種輕質(zhì)、柔性碳納米管繩及其制備方法與其作為低溫發(fā)熱體的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

低溫發(fā)熱器是指發(fā)熱裝置所加熱物體最高能達到的溫度小于300 ^oC以下的裝置，它廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療設(shè)備、家用電器及其它工業(yè)設(shè)備中。這些場所對加熱方式，加熱程度及加熱效率的要求越來越嚴格。低溫發(fā)熱材料是發(fā)熱裝置中的核心部件，它是一種將電能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給周圍物體的一種介質(zhì)，發(fā)熱材料性質(zhì)將決定發(fā)熱裝置的性能。目前發(fā)熱材料主要有金屬發(fā)熱材料（絲或片）、涂層和碳纖維發(fā)熱材料三大類。金屬發(fā)熱材料一般質(zhì)地較硬，不易彎曲，容易斷裂；涂層材料容易加工，成本較低，但手感太硬，長時間容易氧化，不透氣；目前碳纖維加熱材料的使用越來越多，其特點是發(fā)熱面積大、遠紅外發(fā)射率高，可有效提高熱轉(zhuǎn)換率，降低電能消耗。

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，現(xiàn)有低溫發(fā)熱器的性能已不能滿足人們提出的要求，如質(zhì)量輕、柔韌性好、便于攜帶、安全性高等越來越成為加熱材料的必備特性。這就需要迫切開發(fā)輕質(zhì)、柔性且能在36 V安全電壓下工作的發(fā)熱材料?，F(xiàn)有材料質(zhì)地硬，且一般在220 V電壓下使用，該電壓遠高于人體安全電壓，因而其在應(yīng)用時受到限制，加之現(xiàn)有材料密度大，特別是對一些需要經(jīng)常移動的低溫發(fā)熱裝置的安全便攜更是挑戰(zhàn)。

作為一種特殊的碳納米材料，碳納米管自從被發(fā)現(xiàn)以來，就由于其獨特的幾何與電子結(jié)構(gòu)，帶來了優(yōu)異的機械性能、電學性能及熱學性能等，這些特殊的性能使其具有優(yōu)異的潛在應(yīng)用優(yōu)勢，特別是其電學及熱學性能作為低溫發(fā)熱材料有著極大的應(yīng)用潛能。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，具有毫米級直徑且均勻的碳納米管繩制備及作為低溫發(fā)熱材料使用的研究目前還處于探索階段。H. W. Zhu等在《Science》（科學）2002年第5569期884到886頁的《Direct synthesis of long single-walled carbon nanotube strands》（直接合成長單壁碳納米管繩）一文中提到了長達20 cm，直徑約10微米的碳納米管繩的制備方法，但由于該方法合成的的碳納米管繩太細，能承受的力太小及其與普通導(dǎo)線相接時過大的接觸電阻而使其難于應(yīng)用；Y. L. Li等在《Advanced materials》（先進材料）2010年第6期692到696頁的《Continuous multiayered carbon nanotube yarns》（連續(xù)制備多壁碳納米管纖維）一文中提到了直徑約10 微米，但可連續(xù)生產(chǎn)數(shù)百米長的多壁碳納米管纖維。該法得到的纖維還是由于直徑過小難于直接使用；J. N. Wang等在《Nature Commmunication》（自然通訊）2014年第5期3848-1到3848-8頁的《High-strength carbon nanotube fibre-like ribbon with high ductility and high electrical conductivity》（高強度、高塑性、高導(dǎo)電線帶狀纖維碳納米管）一文中也提到了強度和塑性有一定提高的直徑約10 微米連續(xù)的碳納米管纖維制備，但其還是由于直徑太細及力學性能還是不太高而難以直接使用。Z. P. Wu等在《Journal of Applied Physics》（應(yīng)用物理）2014年第12期124908-1到124908-5頁的《Excellent electrode material of carbon nanotube macro-fibers for electric arc generator》（優(yōu)異的碳納米管宏觀纖維作為電弧發(fā)生器的電極）一文中提到了制備長達6000 mm，直徑達1 mm的宏觀碳納米管纖維，其通過碳納米管宏觀連續(xù)體直接制備，該碳納米管纖維較為致密，能受相對較高的力，因而可直接對其進行工業(yè)化操作，并能直接與商業(yè)應(yīng)用的導(dǎo)線直接相連并保持較低的接觸電阻。然而由于該制備工藝的缺陷使其在長度方向很難均勻，使得其性能不穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上面所述缺陷，提供一種具有能在安全電壓條件下使周圍環(huán)境產(chǎn)生300^oC以下溫度的碳納米管宏觀繩，實物如圖1所示。

本發(fā)明的另一目的是提供一種碳納米管繩的制備方法與其作為低溫發(fā)熱體的應(yīng)用。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的。

一種碳納米管繩，其特征在于，采用如下步驟制成：通過碳納米管宏觀管狀連續(xù)體制備均勻的碳納米管繩。首先，在反應(yīng)管出口前方安裝兩臺在同一軸線并可旋轉(zhuǎn)的電機，當反應(yīng)管口生成碳納米管宏觀管連續(xù)體時，用棒將其牽引至最前方的電機軸上，然后繼續(xù)用棒將反應(yīng)管口連續(xù)出來的碳納米管宏觀管連續(xù)體拉斷，并將其拉斷部位移至反應(yīng)管口附近的電機軸上。重復(fù)上述動作，當電機軸上的碳納米管宏觀管連續(xù)體達到一定數(shù)量時，啟動兩電機，電機轉(zhuǎn)速100-3000轉(zhuǎn)/分鐘，并使兩電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，當電機將碳納米管宏觀管連續(xù)體旋轉(zhuǎn)成一整體繩時，將該繩穿過?？字睆綖?.1-5 mm的鋼模孔，并拉動繩將其整體通過模孔，使繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密且長度方向均勻。然后，將通過?？椎奶技{米管繩上噴灑酒精，繩遇酒精收縮，形成更致密的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩。

一種碳納米管繩的制備方法，其特征在于，采用如下步驟制成：通過碳納米管宏觀管狀連續(xù)體制備均勻的碳納米管繩。首先，在反應(yīng)管口前方安裝兩臺在同一軸線并可旋轉(zhuǎn)的電機，當反應(yīng)管口生成碳納米管宏觀管連續(xù)體時，用棒將其牽引至最前方的電機軸上，然后繼續(xù)用棒將反應(yīng)管口連續(xù)出來的碳納米管宏觀管連續(xù)體拉斷，并將其拉斷部位移至反應(yīng)管口附近的電機軸上。重復(fù)上述動作，當電機軸上的碳納米管宏觀管連續(xù)體達到一定數(shù)量時，啟動兩電機，并使兩電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，當電機將碳納米管宏觀管連續(xù)體旋轉(zhuǎn)成一整體繩時，將該繩穿過模孔直徑為0.1-5 mm的鋼?？祝⒗瓌永K將其整體通過?？祝估K內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密且長度方向均勻。然后，將通過?？椎奶技{米管繩上噴灑酒精，繩遇酒精收縮，形成更致密的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩。

所述碳納米管宏觀管狀連續(xù)體的反應(yīng)溶液配比及碳納米管宏觀管狀連續(xù)體的合成方法參照專利ZL201010230938.4及專利ZL201310013214.8。

所述碳納米管繩的直徑為0.1-5 mm，長度為200-100000 mm。

一種碳納米管繩作為低溫發(fā)熱體的應(yīng)用，其特征在于，使用在低壓發(fā)熱器中。

一種碳納米管繩作為低溫發(fā)熱體的應(yīng)用，其特征在于，依次采用如下步驟：

步驟一，碳納米管繩的干燥：將上述方法得到的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩放到干燥箱里，調(diào)節(jié)溫度為100-120 ^oC，干燥10-120 min；

步驟二，低壓發(fā)熱器的組裝：準備一個直流穩(wěn)壓電源用于提供加熱所需的低壓直流電壓，電壓的調(diào)節(jié)范圍為0-30 V；兩根市售金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑為0.1-1 mm，長度為0.5-1 m；一根碳納米管繩，長度在20-200 mm或更長；將兩根導(dǎo)線的一端連接于碳納米管繩，其中一根導(dǎo)線中間接有開關(guān)，然后把兩根金屬導(dǎo)線的另一端分別連接到直流電源正負極；

步驟三，低壓發(fā)熱的產(chǎn)生過程：接通其中一根導(dǎo)線的開關(guān)，調(diào)節(jié)直流電源電壓，將電源電壓從0 V逐漸增大至30 V，碳納米管繩開始發(fā)光，顏色可由暗紅，到深紅，最后顯示為耀眼的白色，電源的輸出電流在0-8 A內(nèi)變化，當開關(guān)處于連通位置時，碳納米管繩顏色最終變?yōu)橐郯咨?，并能一直穩(wěn)定為該顏色。如將該發(fā)熱裝置放置于水中，則放出的熱量可直接使常溫的水沸騰。

本發(fā)明具有如下的有益效果

第一，由于大量碳納米管宏觀管狀連續(xù)體在電機作用下進行的相反方向旋轉(zhuǎn)，使所得繩子間內(nèi)部空隙大量減少，提高了繩的致密度，另其通過?？准熬凭湛s后，繩將變的更為致密且在長度方向上也更為均勻。相比傳統(tǒng)的直接從反應(yīng)器口生成的碳納米管宏觀管狀連續(xù)體制作成的直徑10-20 微米的碳納米管纖維，該繩能承受更大的力，從而有力對其進行實質(zhì)操作，且其能與市售導(dǎo)線直接相連接而不增加接觸電阻；相對于如專利ZL201410019826.2中的碳納米管宏觀纖維產(chǎn)品，該碳納米管繩在長度方向上更為均勻，從而使其發(fā)熱性能更為穩(wěn)定，使用壽命也顯著提高。第二，碳納米管繩作為發(fā)熱體時由于具有合適的電阻和優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，使其能在安全電壓下能快速的將電能轉(zhuǎn)化為熱能，其所產(chǎn)生的熱量由于其自身很好的導(dǎo)熱性能又能很快的將熱量傳遞給周圍環(huán)境；第三，由于其在安全電壓下即可工作的屬性，使其安全性能大大提高；該繩天然的輕質(zhì)與柔性，又能使其任意布線、彎曲、裁剪而便于攜帶，甚至可以穿戴。因而它作為發(fā)熱材料時電-熱轉(zhuǎn)換效率更高、更安全、便于攜帶或穿戴，能更好滿足人們對新型加熱方式的苛刻要求。

本發(fā)明工藝簡單易行，產(chǎn)品不但可以運用到傳統(tǒng)固定加熱裝置，還可應(yīng)用于移動加熱裝置，如利用干電池、小型鋰電池等的戶外加熱方面應(yīng)用前景廣闊。本發(fā)明的原料簡單易得，成本低廉，對環(huán)境無污染；產(chǎn)物易于處理，效率高，設(shè)備簡單，可以實現(xiàn)半連續(xù)化操作，適于大量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明輕質(zhì)、柔性碳納米管強的實物圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例1。

將反應(yīng)管口前方安裝兩臺在同一軸線并可旋轉(zhuǎn)的電機，當反應(yīng)管口生成碳納米管宏觀管連續(xù)體時，用棒將其牽引至最前方的電機軸上，然后繼續(xù)用棒將反應(yīng)管口連續(xù)出來的碳納米管宏觀管連續(xù)體拉斷，并將其拉斷部位移至反應(yīng)管口附近的電機軸上。上述動作重復(fù)10次，啟動兩電機，并使兩電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，電機轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分鐘，當電機將碳納米管宏觀管連續(xù)體旋轉(zhuǎn)成一整體繩時，將該繩穿過?？字睆綖?.1mm的鋼?？祝⒗瓌永K將其整體通過?？祝估K內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密且長度方向均勻。然后，將通過?？椎奶技{米管繩上噴灑酒精，繩遇酒精收縮，形成更致密的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩。將上述方法得到的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩放到干燥箱里，調(diào)節(jié)溫度為120 ^oC，干燥10 min；準備一個直流穩(wěn)壓電源用于提供加熱所需的低壓直流電壓，電壓的調(diào)節(jié)范圍為10 V；兩根市售金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑為0.1 mm，長度為0.5 m；一根碳納米管繩，長度在50 mm；將兩根導(dǎo)線的一端連接于碳納米管繩，其中一根導(dǎo)線中間接有開關(guān)，然后把兩根金屬導(dǎo)線的另一端分別連接到直流電源正負極；接通其中一根導(dǎo)線的開關(guān)，調(diào)節(jié)直流電源電壓，將電源電壓從0 V逐漸增大至10 V，碳納米管繩開始發(fā)光，顏色可由暗紅，到深紅，最后顯示為耀眼的白色，電源的輸出電流在0-2.5 A內(nèi)變化，當開關(guān)處于連通位置時，碳納米管繩顏色最終變?yōu)橐郯咨?，并能一直穩(wěn)定為該顏色。將該發(fā)熱裝置放置于水中，則放出的熱量可直接使常溫的水沸騰。

實施例2。

將反應(yīng)管口前方安裝兩臺在同一軸線并可旋轉(zhuǎn)的電機，當反應(yīng)管口生成碳納米管宏觀管連續(xù)體時，用棒將其牽引至最前方的電機軸上，然后繼續(xù)用棒將反應(yīng)管口連續(xù)出來的碳納米管宏觀管連續(xù)體拉斷，并將其拉斷部位移至反應(yīng)管口附近的電機軸上。上述動作重復(fù)100次，啟動兩電機，并使兩電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，電機轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘，當電機將碳納米管宏觀管連續(xù)體旋轉(zhuǎn)成一整體繩時，將該繩穿過?？字睆綖? mm的鋼?？祝⒗瓌永K將其整體通過?？?，使繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密且長度方向均勻。然后，將通過?？椎奶技{米管繩上噴灑酒精，繩遇酒精收縮，形成更致密的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩。將上述方法得到的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩放到干燥箱里，調(diào)節(jié)溫度為100^oC，干燥120 min；準備一個直流穩(wěn)壓電源用于提供加熱所需的低壓直流電壓，電壓的調(diào)節(jié)范圍為15 V；兩根市售金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑為1 mm，長度為0.5 m；一根碳納米管繩，長度在150 mm；將兩根導(dǎo)線的一端連接于碳納米管繩，其中一根導(dǎo)線中間接有開關(guān)，然后把兩根金屬導(dǎo)線的另一端分別連接到直流電源正負極；接通其中一根導(dǎo)線的開關(guān)，調(diào)節(jié)直流電源電壓，將電源電壓從0 V逐漸增大至15 V，碳納米管繩開始發(fā)光，顏色可由暗紅，到深紅，最后顯示為耀眼的白色，電源的輸出電流在0-4 A內(nèi)變化，當開關(guān)處于連通位置時，碳納米管繩顏色最終變?yōu)橐郯咨?，并能一直穩(wěn)定為該顏色。將該發(fā)熱裝置放置于水中，則放出的熱量可直接使常溫的水沸騰。

實施例3。

將反應(yīng)管口前方安裝兩臺在同一軸線并可旋轉(zhuǎn)的電機，當反應(yīng)管口生成碳納米管宏觀管連續(xù)體時，用棒將其牽引至最前方的電機軸上，然后繼續(xù)用棒將反應(yīng)管口連續(xù)出來的碳納米管宏觀管連續(xù)體拉斷，并將其拉斷部位移至反應(yīng)管口附近的電機軸上。上述動作重復(fù)200次，啟動兩電機，并使兩電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，電機轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘，當電機將碳納米管宏觀管連續(xù)體旋轉(zhuǎn)成一整體繩時，將該繩穿過?？字睆綖? mm的鋼模孔，并拉動繩將其整體通過?？祝估K內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密且長度方向均勻。然后，將通過?？椎奶技{米管繩上噴灑酒精，繩遇酒精收縮，形成更致密的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩。將上述方法得到的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩放到干燥箱里，調(diào)節(jié)溫度為100 ^oC，干燥100 min；準備一個直流穩(wěn)壓電源用于提供加熱所需的低壓直流電壓，電壓的調(diào)節(jié)范圍為20 V；兩根市售金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑為1 mm，長度為0.5 m；一根碳納米管繩，長度在200 mm；將兩根導(dǎo)線的一端連接于碳納米管繩，其中一根導(dǎo)線中間接有開關(guān)，然后把兩根金屬導(dǎo)線的另一端分別連接到直流電源正負極；接通其中一根導(dǎo)線的開關(guān)，調(diào)節(jié)直流電源電壓，將電源電壓從0 V逐漸增大至20 V，碳納米管繩開始發(fā)光，顏色可由暗紅，到深紅，最后顯示為耀眼的白色，電源的輸出電流在0-5 A內(nèi)變化，當開關(guān)處于連通位置時，碳納米管繩顏色最終變?yōu)橐郯咨?，并能一直穩(wěn)定為該顏色。將該發(fā)熱裝置放置于水中，則放出的熱量可直接使常溫的水沸騰。

實施例4。

將反應(yīng)管口前方安裝兩臺在同一軸線并可旋轉(zhuǎn)的電機，當反應(yīng)管口生成碳納米管宏觀管連續(xù)體時，用棒將其牽引至最前方的電機軸上，然后繼續(xù)用棒將反應(yīng)管口連續(xù)出來的碳納米管宏觀管連續(xù)體拉斷，并將其拉斷部位移至反應(yīng)管口附近的電機軸上。上述動作重復(fù)500次，啟動兩電機，并使兩電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，電機轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘，當電機將碳納米管宏觀管連續(xù)體旋轉(zhuǎn)成一整體繩時，將該繩穿過?？字睆綖?.4 mm的鋼模孔，并拉動繩將其整體通過?？?，使繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密且長度方向均勻。然后，將通過?？椎奶技{米管繩上噴灑酒精，繩遇酒精收縮，形成更致密的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩。將上述方法得到的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩放到干燥箱里，調(diào)節(jié)溫度為120 ^oC，干燥100 min；準備一個直流穩(wěn)壓電源用于提供加熱所需的低壓直流電壓，電壓的調(diào)節(jié)范圍為0-25 V；兩根市售金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑為1 mm，長度為0.5 m；一根碳納米管繩，長度在200 mm；將兩根導(dǎo)線的一端連接于碳納米管繩，其中一根導(dǎo)線中間接有開關(guān)，然后把兩根金屬導(dǎo)線的另一端分別連接到直流電源正負極；接通其中一根導(dǎo)線的開關(guān)，調(diào)節(jié)直流電源電壓，將電源電壓從0 V逐漸增大至25 V，碳納米管繩開始發(fā)光，顏色可由暗紅，到深紅，最后顯示為耀眼的白色，電源的輸出電流在0-6 A內(nèi)變化，當開關(guān)處于連通位置時，碳納米管繩顏色最終變?yōu)橐郯咨?，并能一直穩(wěn)定為該顏色。將該發(fā)熱裝置放置于水中，則放出的熱量可直接使常溫的水沸騰。

實施例5。

將反應(yīng)管口前方安裝兩臺在同一軸線并可旋轉(zhuǎn)的電機，當反應(yīng)管口生成碳納米管宏觀管連續(xù)體時，用棒將其牽引至最前方的電機軸上，然后繼續(xù)用棒將反應(yīng)管口連續(xù)出來的碳納米管宏觀管連續(xù)體拉斷，并將其拉斷部位移至反應(yīng)管口附近的電機軸上。上述動作重復(fù)1000次，啟動兩電機，并使兩電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，電機轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘，當電機將碳納米管宏觀管連續(xù)體旋轉(zhuǎn)成一整體繩時，將該繩穿過模孔直徑為5 mm的鋼模孔，并拉動繩將其整體通過模孔，使繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密且長度方向均勻。然后，將通過?？椎奶技{米管繩上噴灑酒精，繩遇酒精收縮，形成更致密的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩。將上述方法得到的輕質(zhì)、柔性碳納米管繩放到干燥箱里，調(diào)節(jié)溫度為120 ^oC，干燥120 min；準備一個直流穩(wěn)壓電源用于提供加熱所需的低壓直流電壓，電壓的調(diào)節(jié)范圍為0-30 V；兩根市售金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑為0.5 mm，長度為1 m；一根碳納米管繩，長度在200 mm；將兩根導(dǎo)線的一端連接于碳納米管繩，其中一根導(dǎo)線中間接有開關(guān)，然后把兩根金屬導(dǎo)線的另一端分別連接到直流電源正負極；接通其中一根導(dǎo)線的開關(guān)，調(diào)節(jié)直流電源電壓，將電源電壓從0 V逐漸增大至30 V，碳納米管繩開始發(fā)光，顏色可由暗紅，到深紅，最后顯示為耀眼的白色，電源的輸出電流在0-8 A內(nèi)變化，當開關(guān)處于連通位置時，碳納米管繩顏色最終變?yōu)橐郯咨⒛芤恢狈€(wěn)定為該顏色。將該發(fā)熱裝置放置于水中，則放出的熱量可直接使常溫的水沸騰。