專利名稱：一種制備螺旋形納米碳纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及螺旋形納米碳纖維，具體地說(shuō)是一種制備螺旋形納米碳纖維的方法。
背景技術(shù)：
螺旋形碳纖維是一種功能型碳纖維，可以通過(guò)高分子有機(jī)纖維的固相碳化或低分子烴的氣相催化熱解生長(zhǎng)而制得，具有一般碳纖維的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、電熱傳導(dǎo)性、熱膨脹性低、耐摩擦、磨損低、密度低、生體親和性好等優(yōu)異性能，而其特殊的螺旋形態(tài)則賦予了材料典型的手征特性、良好的彈性、與基體的良好結(jié)合性，有望作為新型的電磁波吸收劑、微敏感能量吸收劑、隱身材料、微彈簧等微機(jī)械元件等，在結(jié)構(gòu)增強(qiáng)、吸波材料、電磁屏蔽材料、微電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前關(guān)于螺旋形碳纖維的制備國(guó)內(nèi)外報(bào)道的有化學(xué)氣相沉積法和瀝青熔融紡絲法兩種，螺旋形納米碳纖維的制備一般采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，以低碳烴化合物為碳源，納米Fe、Cr、Ni、Cu及其納米合金粒子為催化劑，制備螺旋形納米碳纖維，上述納米催化劑的制備工藝非常復(fù)雜，而且粒徑難于控制，一般通過(guò)把Fe、Cr、Ni、Cu等金屬的鹽溶液吸附在超細(xì)二氧化硅等粒子的表面，再通過(guò)氫氣還原制備出附著于超細(xì)二氧化硅等粒子表面的納米金屬催化劑，這些超細(xì)二氧化硅粒子會(huì)混雜在螺旋形納米碳纖維當(dāng)中，很難清除干凈。一般認(rèn)為碳纖維和納米碳管的內(nèi)徑與催化劑顆粒直徑相等，人們總是想辦法得到粒徑較小的催化劑，而小直徑催化劑的制備難度大、價(jià)格昂貴，其應(yīng)用受到一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高、低成本制備螺旋形納米碳纖維的新方法，以滿足有關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的需要。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是采用乙炔為碳源、氫氣為載氣、氮?dú)饣驓鍤鉃橄♂寶怏w、鎳板為催化劑、PCl3為助催化劑，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，在550℃～700℃溫度下反應(yīng)，優(yōu)選650℃～700℃，制備出螺旋形納米碳纖維；其中稀釋氣體氮?dú)饣驓鍤馀c乙炔流量之比為2～5∶1，氫氣與乙炔流量之比為3～5∶1，PCl3助催化劑的流量為0.02～0.05ml/min，螺旋形納米碳纖維的纖維直徑、螺旋的螺距和螺旋的直徑主要通過(guò)調(diào)節(jié)流量、溫度等工藝參數(shù)得到控制。
所述及的鎳板催化劑的厚度為0.1～2mm，是商業(yè)鎳板，無(wú)需繁瑣制備，鎳板催化劑在反應(yīng)前要進(jìn)行表面處理，對(duì)鎳板表面進(jìn)行高速噴砂處理30分鐘，然后在稀鹽酸或稀硫酸中浸泡5～10小時(shí)，干燥后使用；所述及的鎳板催化劑可以重復(fù)使用，上次反應(yīng)剩余的鎳板催化劑經(jīng)砂紙打磨，在稀鹽酸或硫酸中浸泡5～10小時(shí)，干燥后重復(fù)使用；所述及的鎳板催化劑水平或垂直放置在水平的石墨板上面，垂直于石墨板放置時(shí)，鎳板催化劑的兩側(cè)都有螺旋形納米碳纖維生長(zhǎng)，產(chǎn)率較水平放置提高一倍。
與傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法制備螺旋形納米碳纖維對(duì)催化劑要求高、且工藝復(fù)雜、成本較高相比，本發(fā)明具有如下有益效果，本發(fā)明提供的方法簡(jiǎn)單易操作，產(chǎn)品純度高，單位產(chǎn)量高，利于大批量生成。在結(jié)構(gòu)增強(qiáng)、吸波材料、電磁屏蔽材料、微電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為實(shí)施例1制備的螺旋形納米碳纖維的掃描電鏡照片。
圖2為實(shí)施例2制備的螺旋形納米碳纖維的掃描電鏡照片。
圖3為實(shí)施例3制備的螺旋形納米碳纖維的掃描電鏡照片。
圖4為實(shí)施例4制備的螺旋形納米碳纖維的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1反應(yīng)前將厚度為1mm、長(zhǎng)寬分別為150mm和30mm的鎳板催化劑進(jìn)行表面處理，對(duì)鎳板表面進(jìn)行高速噴砂處理30分鐘，然后在稀鹽酸中浸泡5小時(shí)，干燥后放在管式爐的恒溫區(qū)，鎳板催化劑水平放置在石墨板上；對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)抽真空，用氮?dú)庵脫Q三次，通入氮?dú)?，氮?dú)獾牧髁繛?00ml/min，在氮?dú)鈿夥障律郎氐?50℃，通入乙炔的同時(shí)以氫氣為載氣加入PCl3助催化劑，PCl3助催化劑的流量為0.03ml/min，稀釋氣體氮?dú)馀c乙炔流量之比為2.5∶1(其中乙炔為40ml/min，氮?dú)鉃?00ml/min)，氫氣與乙炔流量之比為3∶1(其中乙炔為40ml/min，氫氣為120ml/min)，反應(yīng)恒溫時(shí)間為35min，進(jìn)行催化熱解反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后在氮?dú)鈿夥障伦匀焕鋮s到室溫，可獲得1.7361g的螺旋形納米碳纖維(參見(jiàn)圖1)。
實(shí)施例2反應(yīng)前將厚度為1.5mm、長(zhǎng)寬分別為150mm和30mm的鎳板催化劑進(jìn)行表面處理，對(duì)鎳板表面進(jìn)行高速噴砂處理30分鐘，然后在稀硫酸中浸泡8小時(shí)，干燥后放在管式爐的恒溫區(qū)，鎳板催化劑垂直放置在水平的石墨板上；對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)抽真空，用氬氣置換三次，通入氬氣，氬氣的流量為200ml/min，在氬氣氣氛下升溫到670℃，通入乙炔的同時(shí)以氫氣為載氣加入PCl3助催化劑，PCl3助催化劑的流量為0.04ml/min，稀釋氣體氬氣與乙炔流量之比為2∶1(其中乙炔為50ml/min，氬氣為100ml/min)，氫氣與乙炔流量之比為3.5∶1(其中乙炔為50ml/min，氫氣為175ml/min)，反應(yīng)恒溫時(shí)間為40min，進(jìn)行催化熱解反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后在氬氣氣氛下自然冷卻到室溫，可獲得3.5371g的螺旋形納米碳纖維(參見(jiàn)圖2)。
實(shí)施例3反應(yīng)前將厚度為0.5mm、長(zhǎng)寬分別為150mm和30mm的鎳板催化劑進(jìn)行表面處理，對(duì)鎳板表面進(jìn)行高速噴砂處理30分鐘，然后在稀鹽酸中浸泡5小時(shí)，干燥后放在管式爐的恒溫區(qū)，鎳板催化劑水平放置在石墨板上；對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)抽真空，用氮?dú)庵脫Q三次，通入氮?dú)?，氮?dú)獾牧髁繛?00ml/min，在氮?dú)鈿夥障律郎氐?80℃，通入乙炔的同時(shí)以氫氣為載氣加入PCl3助催化劑，PCl3助催化劑的流量為0.05ml/min，稀釋氣體氮?dú)馀c乙炔流量之比為3∶1(其中乙炔為45ml/min，氮?dú)鉃?35ml/min)，氫氣與乙炔流量之比為4∶1(其中乙炔為45ml/min，氫氣為180ml/min)，反應(yīng)恒溫時(shí)間為60min，進(jìn)行催化熱解反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后在氮?dú)鈿夥障伦匀焕鋮s到室溫，可獲得2.1845g的螺旋形納米碳纖維(參見(jiàn)圖3)。
實(shí)施例4反應(yīng)前將厚度為2mm、長(zhǎng)寬分別為150mm和30mm的鎳板催化劑進(jìn)行表面處理，對(duì)鎳板表面進(jìn)行高速噴砂處理30分鐘，然后在稀硫酸中浸泡10小時(shí)，干燥后放在管式爐的恒溫區(qū)，鎳板催化劑垂直放置在水平的石墨板上；對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)抽真空，用氬氣置換三次，通入氬氣，氬氣的流量為200ml/min，在氬氣氣氛下升溫到700℃，通入乙炔的同時(shí)以氫氣為載氣加入PCl3助催化劑，PCl3助催化劑的流量為0.04ml/min，稀釋氣體氬氣與乙炔流量之比為3∶1(其中乙炔為50ml/min，氬氣為150ml/min)，氫氣與乙炔流量之比為3∶1(其中乙炔為50ml/min，氫氣為150ml/min)，反應(yīng)恒溫時(shí)間為60min，進(jìn)行催化熱解反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后在氬氣氣氛下自然冷卻到室溫，可獲得3.9531g的螺旋形納米碳纖維(參見(jiàn)圖4)。
權(quán)利要求
1.一種制備螺旋形納米碳纖維的方法，其特征在于采用乙炔為碳源、氫氣為載氣、氮?dú)饣驓鍤鉃橄♂寶怏w、鎳板為催化劑、PCl3為助催化劑，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，在較低溫度下制備出螺旋形納米碳纖維。
2.如權(quán)利要求1所述制備螺旋形納米碳纖維的方法，其特征在于所述反應(yīng)溫度為550℃-700℃。
3.如權(quán)利要求1所述制備螺旋形納米碳纖維的方法，其特征在于所述稀釋氣體氮?dú)饣驓鍤馀c乙炔流量之比為2～5∶1。
4.如權(quán)利要求1所述制備螺旋形納米碳纖維的方法，其特征在于所述氫氣與乙炔流量之比為3～5∶1。
5.如權(quán)利要求1所述制備螺旋形納米碳纖維的方法，其特征在于所述PCl3助催化劑的流量為0.02～0.05ml/min。
6.如權(quán)利要求1所述制備螺旋形納米碳纖維的方法，其特征在于所述催化劑鎳板的厚度為0.1～2mm，鎳板催化劑在反應(yīng)前要進(jìn)行表面納米化處理，對(duì)鎳板表面進(jìn)行高速噴砂處理30分鐘，然后在稀鹽酸或稀硫酸中浸泡5～10小時(shí)，干燥后使用。
7.如權(quán)利要求1所述制備螺旋形納米碳纖維的方法，其特征在于所述鎳板催化劑可以重復(fù)使用，上次反應(yīng)剩余的鎳板催化劑經(jīng)砂紙打磨，在稀鹽酸或稀硫酸中浸泡5～10小時(shí)，干燥后重復(fù)使用。
8.如權(quán)利要求1所述制備螺旋形納米碳纖維的方法，其特征在于所述鎳板催化劑水平或垂直放置在石墨板上面。
全文摘要
本發(fā)明涉及螺旋形納米碳纖維，具體地說(shuō)是螺旋形納米碳纖維的制備方法。本發(fā)明公開(kāi)了一種制備螺旋形納米碳纖維的方法。本發(fā)明采用乙炔為碳源、氫氣為載氣、氮?dú)饣驓鍤鉃橄♂寶怏w、鎳板為催化劑、PCl
文檔編號(hào)D01F9/12GK1995503SQ20061000016
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月6日
發(fā)明者趙東林, 沈曾民, 于建民 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)