碳纳米管从被发现起就一直受到极大的关注,更是被组装成如纤维、薄膜、气凝胶等多种结构。其中,碳纳米管纤维是碳纳米管材料重要的一维表现形式之一,其不仅具有可与碳纤维等高性能纤维媲美的机械性能,也很好地保持了碳纳米管丰富的热、电、场发射等功能,故而备受期待成为21世纪纳米材料的研究焦点。特别是近10年世界各国研究学者更是大力研究和开发碳纳米管的各种材料形式,并通过各种方式调控材料结构来提升或赋予它们更多更好的性能。目前进行的许多研究中使用的纤维长度较短、尺寸较小,纤维直径仅为10微米左右,如此小直径的纤维不适合工程使用,更限制了其在纺织领域的加工应用,如智能纺织品和可穿戴设备。因此,非常有必要将小直径的CNT纤维组装或复合成大尺寸的CNT纱线(直径>100μm),且碳纳米管纤维直径大于50微米后由于生长时弱范德华力的影响纤维力学性能较差,很难强于1 GPa。为此,本论文以将碳纳米管纤维纱线化为目的设计构建了碳纳米管纤维干燥、致密、集聚前处理和加捻后处理的方法及装置,实现连续且大量制备碳纳米管纱线。进一步探索非加捻手段的碳纳米管纱线组装方法和碳纳米管纱线在纺织品方面的应用可能性。论文的主要研究内容和结论如下:(1)根据化学气相沉积法(CVD法)生长碳纳米管纤维的特性,对其进行干燥、致密和集聚前处理,设计工艺原理、方法并构建装置。干燥后纤维脱离水环境方便存储和使用,干燥收集的同时滚轮对纤维表面有弱收敛作用,可以防止纤维干燥后的表面粘连。碳纳米管纤维的牵拉速度、干燥温度和干燥区长度共同影响干燥效果。卷绕部件根据纤维直径设定卷绕程序,保证纤维层间无嵌层的稳定卷绕。(2)致密处理使力学性能在宏观纱线体中得到很好地传递和增强。基于机械力和摩擦力设计了碳纳米管纤维致密处理原理和装置。装置装配有三个可独立控制的滚轮组,每组中包含四个滚轮且按照高低间隔排列以扩大纤维与滚轮的接触面积。滚轮运转对纤维产生牵引力和摩擦力,使纤维内部结构被致密的同时碳纳米管束受到牵伸而高度取向排列,结构致密和高取向排列都可以使碳纳米管纤维力学性能增强。单组滚轮对纤维有1.03倍的牵伸作用,三组滚轮同时同转速处理时产生的牵伸倍数为1.09倍。碳纳米管纤维的致密作用随使用滚轮数目的增加而增强。(3)碳纳米管纤维集聚装置多根纤维并合成一股纤维集聚体。为了减少每根纤维间的路径差异,装置共设置5根立式轴柱用于放置干燥后的碳纳米管纤维筒管。由于单根碳纳米管纤维力学性能差,轴柱底部选用钢珠轴承以减少牵拉阻力保证集聚过程顺利进行。滚轮、导纱钩等部件以及不同的引纱路径控制集聚张力。最大集聚速度为50m/min。(4)摒弃环锭加捻原理的钢领、钢丝圈、胶辊罗拉等部件,基于自下而上的纺纱路径设计构建碳纳米管纤维加捻原理及装置。核心的加捻部件为飞翼,飞翼的结构参数包括翼的长度、张角、重量以及与锭子的摩擦系数。飞翼张角保证碳纳米管纤维沿筒管侧向退绕时的退绕角度及退绕距离,飞翼跟随锭子被动旋转会对纤维施加一定退绕张力,退绕角度和张力保证纤维无打结纠缠地顺利退绕。飞翼的自身重量和摩擦力控制纺纱气圈的稳定性,滚轮和导纱钩以及引纱路径控制纺纱张力,保证捻度均匀。飞翼装置的卷绕速度随卷绕层数增加而减慢以保证连续加捻过程中碳纳米管纱线捻度一致。碳纳米管纱线的收集卷绕设计为主动卷绕,减少加捻张力波动和纱线损伤,纱线捻度更均匀品质更好。(5)基于研发的加捻装置制备出小直径(45-55μm)、中直径(80-100μm)和大直径(180-200μm)碳纳米管纱线,探究捻度对碳纳米管纱线的作用机理以及不同直径的区别。捻度增加,纱线表面捻度螺旋线角度增大,纱线径向向心力分量变大,纱线内部碳纳米管受挤压而紧密集束,纱线结构紧密。因此直径随捻度增加逐渐收缩减小,断裂比强度随捻度呈先增加后减小趋势,拉伸应变增加,同时加捻能够提高碳纳米管纱线的性能均匀性。(6)基于碳纳米管纤维的材料效应和高分子聚合物的作用机理,研究非加捻手段的纱线方法和技术。本文使用聚合物复合增强纤维界面从而得到碳纳米管复合纱线。使用集聚装置使多根碳纳米管纤维并合通过饱含聚合物溶液的拉丝模具,受拉丝模具挤压收缩,聚合物渗透进纤维内部。碳纳米管在聚合物作用下发生重排融合致使纤维间界面增强组装成大直径碳纳米管纱线。支链型聚乙烯亚胺(PEI)对碳纳米管纱线的界面增强效果相对较优,单根纤维力学保持率较高,且在热处理、摩擦、弯折、热压等条件下纱线结构和性能稳定。(7)用制备的连续碳纳米管纱线与天然纤维以包芯结构混纺开发功能纱线,以探索纺织品方面的应用可能性。8根碳纳米管纤维并合后加约2500-3000T/m捻度设计成弹簧结构,外包不同含量的羊毛短纤维。碳纳米管弹簧结构和与羊毛纤维的结合界面可改善纱线耐疲劳性。碳纳米管优异的电、热等性能使复合纱线可用于电加热、保暖和电磁屏蔽织物,且羊毛/CNT复合纱线耐水洗。