气相纺丝可控制备多级结构碳纳米管纤维组装研究

The vapor spinning process produces carbon nanotube yarns through the assembling of CNTs grown in the gas flow and mechanical winding. This process not only allows the fabrication of uniform and dense CNT yarns, but also can produce yarns with hollow and multi-layered structures. These multi-scale yarn structures are desired for the fabrication of novel nanocomposites and functional composite materials. The development of the vapor spinning process and controlled fabrication of multiscale CNT yarns needs fundamental understanding the mechanism of CNT assembling in the vapor phase. In the present project, we propose to study the assembling of CNTs in the vapor phase by reaction control, optical detection of the reaction for the development of novel CNT yarns for novel applications. The research contents include detection and analysis of the gas flow field and distribution of temperatures in the assembling zone of the reactor and theoretical modulation, the CNT yarn structures and characterizations and the fabrication of nanocomposites and flexible yarns with energy storage and functional fabrics with photolelectronic conversion properties.

气相纺丝法以催化反应在气流中生长碳纳米管通过原位组装形成连续碳纳米管纤维。采用该方法不仅可一步制备均匀致密的碳纳米管纤维，还可获得多层、空心和网络连接等特殊结构的碳纳米管纤维，这些多级结构纤维有望用于发展新型纳米复合材料和功能材料。发展气相纺丝法可控制备多级结构碳管纤维提出了碳纳米管在气相中组装的基本科学问题。本项目以可控制备新型多级结构碳纳米管纤维为目的，提出通过合成反应和反应场探测，研究碳纳米管在气相中的组装机理，探明碳管在气流中的组装及其关键控制，在此基础上，可控制备具有空心和多层等多级结构的碳管纤维，为发展新型多功能碳纳米纤维提供基础。课题拟采用光学成像、原位探测结合计算模拟研究碳管组装的气流场和温度场，进而通过合成反应和气流控制碳纳米管气相组装的形态，经纺丝制备具有特定多级结构的碳管纤维，研究反应控制、纤维结构，将纤维用于制备纳米复合材料和储能、光电功能柔性纤维及其多功能织物。

气相纺丝法依据高温催化反应气流中生长的碳纳米管自发聚集和组装形成连续体经缠绕成丝形成连续的碳纳米管纤维,是一步制备连续碳纳米管纤维的方法，该方法自2004年建立以来，成为目前广泛采用的制备连续碳纳米管纤维的方法，近年来发展迅速，并已实现了产业化。在本项目立项期间(2013-2016)，国内外研究明显增多，大部分为一般性工艺研究，英国剑桥大学进行了反应区的数值模拟和反应现象分析，尚未见针对碳管气相流中的组装现象和机理的专门研究。认识碳纳米管在气流中的组装，揭示碳纳米管的气相组装机理，是从根本上控制碳管纤维的结构和提高纤维的性能的关键。本项目按照计划书项目目标和内容，围绕碳纳米管在气流中的组装的主题，通过研究合成反应、探测反应区温度场和流场、纤维结构，揭示了气相流中碳管的生长和组装机理，进而研究了反应场控制、纺丝方法和设计反应器，取得可控连续制备多种结构和形态的连续碳纳米管纤维，获得万米级连续的碳纳米管纤维材料、制备方法和系统。.主要研究内容和结果：.(1)研究了合成反应体系、气流和温度对碳纳米管生长和组装形态的控制规律，发现乙醇/丙酮混合碳源中加入少量的水能增强催化反应效率，明显促进碳纳米管在气流中的生长，确定了最佳的水助剂的含量(2-5 wt.%)，采用水助催化反应可控制备出单壁和双壁连续碳纳米管纤维。.(2)研究了气相流反应的温度场和流场，采用热电偶、红外测温仪、光学热成像和Fluent数值模拟，结合烟雾法，测量、分析和确定了静态和动态气相流反应器和反应区的温度和气流分布。.(3)研究了碳纳米管的生长和组装位置，采用原位取样、硬物干扰和多路气流设计，确定了碳纳米管的组装体形成位在炉上沿下方35-45cm处，碳纳米管生长和组装区在6-35cm处。采用双炉注射观察到一炉双丝迹象。.(4)根据碳管生长和组装温度场和流场要求，设计出环绕气流环和三段分段控温炉，研究了组装体不同入水深纤维的形态，发现入水浅形成空心纤维，入水深成实心纤维，进而研制出自动扑丝机械，可控制备出万米级连续的结构可控的碳纳米管纤维。.(5)利用纤维制备高导电实心空心金属/碳纳米管复合纤维。采用环形注气制备出透明导电双层和多层薄膜，用于制备透明固态拉伸超电容。采用水助反应原位切割制备出石墨烯条带纤维。获得4项授权发明专利。培养5名研究生。应邀在国际应邀在国际碳材料大会作分会特邀报告。