一种碳纤维编织体上直接生长螺旋状碳纤维的方法

摘要

本发明公开了一种碳纤维编织体上直接生长螺旋状碳纤维的方法，首先对碳纤维编织体进行除胶处理，配制不同浓度的Fe-Ni催化剂溶液，其次再将碳纤维编织体在上述溶液中浸渍、干燥，最后将碳纤维编织体放在管式炉中通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，进行催化裂解反应，在碳纤维编织体表面得到螺旋状碳纤维。本发明的优点在于采用性能优异的碳纤维编织体作为基体生长出了质量好和纯度高的螺旋状碳纤维，且与碳纤维编织体有较强的连接性，复合产物有较好的性能，制备过程和设备简单，易于推广和应用。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米材料的制备技术，更具体地说涉及一种碳纤维编织体上直接生长 螺旋状碳纤维的方法。

背景技术

自从螺旋状碳纤维被发现以来，就引起了许多研究者的兴趣，并对其进行了广泛的 研究。螺旋状炭纤维是极具吸引力的一种材料,其特殊的螺旋形态使材料具有低密度、高 比模量、高导电性、高比表面积和超弹性等物理和化学性能,有望被广泛地应用于电磁波 吸收剂、储氢装置、螺旋复合弹簧和触觉传感器等微型器械元件领域。

螺旋状炭纤维的合成及性能的研究吸引了许多研究者的兴趣.制备螺旋状碳纤维的 方法一般采用：一、负载法，即采用浸渍、镀膜、离子溅射、电化学沉积等方法预先将 催化剂负载到载体上,然后将催化剂置于反应器中实现螺旋状碳纳米管的生长。二、浮游 法,即催化剂不仅仅可以负载到载体上,还可以一同和碳源引入反应器,催化剂原位形成, 即催化剂浮游进入反应器,实现螺旋状碳纤维的生长。负载法可以在不同的基体上进行螺 旋状碳纤维的生长，一般都是在石墨或者陶瓷基片上进行生长，生长后的螺旋碳纤维分 布不均，产量较低，尚无有效地大量制备螺旋碳纤维的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种碳纤维编织体上直接生长螺旋 状碳纤维的方法。

本发明的技术目的通过下述方案予以实现：

一种碳纤维编织体上直接生长螺旋状碳纤维的方法，采用化学气相沉积法进行螺旋 碳纤维的生长，按照下述步骤进行：

1)将碳纤维编织体放入管式炉在氩气环境下进行热处理除去碳纤维表面附着的胶， 氩气流量为50-500sccm，优选100-400sccm，热处理温度为500-1000℃，优选700-900℃， 处理时间为10-100min，优选40-80min，将处理好的碳纤维编织体留做备用；

2)按铁与镍的摩尔比1：（1-5），将硝酸铁和硝酸镍加入到乙醇中，配制0.01-0.1mol/L， 优选0.0125-0.075mol/L的硝酸铁和硝酸镍溶液，超声使溶液分散均匀；

3)将步骤1）处理的碳纤维编织体放入到步骤2）的溶液中浸渍10-300s，优选 100-300s，取出后，置于60-100℃，优选70-90℃的干燥箱中干燥1-5h，优选1.5-4h，将 其放入石英舟中，并置于石英管的恒温区，在氩气保护下以升温速率10℃/min由室温 20-25℃升温至300-500℃，优选350-450℃，恒温煅烧1-3h，优选1.5-3h，得到负载有催 化剂的碳纤维编织体；

4)将步骤3）所得的负载有催化剂的碳纤维编织体在氩气保护下以升温速率10℃/min 升温至500-600℃，以流量为100-300sccm优选150-250sccm，向石英反应管中通入氢气 进行还原，还原时间为30-150min，优选50-100min，然后在氩气保护下将温度升高到 750-850℃，优选780-800℃，当升高到反应温度时，向反应管中通入氩气、氢气、硫化 氢、乙炔进行反应，其中，氩气、氢气、硫化氢、乙炔按体积流量比为（50-300sccm）： （30-300sccm）：（10-100sccm）：（10-100sccm），优选氩气、氢气、硫化氢、乙炔按 体积流量比为（70-200sccm）：（150-300sccm）：（40-80sccm）：（50-90sccm），反 应时间为10-100min，优选20-60min，反应结束后在氩气保护下降到室温20-25℃，得到 碳纤维编织体上生长有螺旋状碳纤维。

本发明采用了性能优异的碳纤维编织体作为基体进行螺旋碳纤维的生长，制备的螺 旋状碳纤维具有质量和纯度高的优点，且能与碳纤维基体较强的连接，制备过程和设备 简单，且复合产物具有较好的性能，为其更广泛的研究和应用打下了基础。

附图说明

图1为生长螺旋状碳纤维后的碳纤维编织体的扫描电镜照片。

图2为本发明实例1制备的螺旋状碳纤维的扫描电镜照片（1）。

图3为本发明实例1制备的螺旋状碳纤维的扫描电镜照片（2）。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的具体描述。

实施例1：

1)将碳纤维编织体放入管式炉在在氩气环境下进行热处理，氩气流量为300sccm，热 处理温度为800℃，处理时间为60min；

2)按铁与镍的摩尔比1：1，将硝酸铁和硝酸镍加入到乙醇中，配制0.0125mol/L的 硝酸铁和硝酸镍溶液；

3)将步骤1）处理的碳纤维编织体放入到步骤2）的溶液中浸渍300s，取出后，置于 80℃的干燥箱中干燥2h，将其放入石英舟中，并置于石英管的恒温区，在氩气保护下以 升温速率10℃/min由室温20-25℃升温至400℃，恒温煅烧1h，得到负载有催化剂的碳 纤维编织体；

4)将步骤3）所得的负载有催化剂的碳纤维编织体在氩气保护下以升温速率10℃/min 升温至500℃，以流量为300sccm向石英反应管中通入氢气进行还原，还原时间在60min， 然后在氩气保护下将温度升高到800℃，向反应管中通入氩气、氢气、硫化氢、乙炔进行 反应，其中，氩气、氢气、硫化氢、乙炔按体积流量比为75sccm：250sccm：50sccm： 65sccm，反应时间为30min，反应结束后在氩气保护下降到室温20-25℃，取出产物。

图1为生长有螺旋碳纤维的碳纤维编织体扫描电镜图片，从图片上可以得到生长完 后碳纤维编织体变得粗糙；图2为所得螺旋碳纤维的扫描电镜图片，由图可得在碳纤维 编织体上生长了具有螺旋状的碳纤维，且螺旋碳纤维的纯度较高；图3表明所得螺旋碳 纤维的扫描电镜图片，可以看出螺旋碳纤维具有两种不同形貌，一种纤维较粗且螺距较 大，另一种纤维较细且螺距较小。

实施例2：

1)将碳纤维编织体放入管式炉在在氩气环境下进行热处理，氩气流量为300sccm，热 处理温度为800℃，处理时间为60min；

2)按铁与镍的摩尔比1：1，将硝酸铁和硝酸镍加入到乙醇中，配制0.025mol/L的硝 酸铁和硝酸镍溶液；

3)将步骤1）处理的碳纤维编织体放入到步骤2）的溶液中浸渍300s，取出后，置于 80℃的干燥箱中干燥2h，将其放入石英舟中，并置于石英管的恒温区，在氩气保护下以 升温速率10℃/min由室温20-25℃升温至400℃，恒温煅烧1h，得到负载有催化剂的碳 纤维编织体；

4)将步骤3）所得的负载有催化剂的碳纤维编织体在氩气保护下以升温速率10℃/min 升温至500℃，以流量为300sccm向石英反应管中通入氢气进行还原，还原时间在60min， 然后在氩气保护下将温度升高到800℃，向反应管中通入氩气、氢气、硫化氢、乙炔进行 反应，其中，氩气、氢气、硫化氢、乙炔按体积流量比为75sccm：250sccm：50sccm、 65sccm，反应时间为30min，反应结束后在氩气保护下降到室温20-25℃，得到产物。

实施例3：

1)将碳纤维编织体放入管式炉在在氩气环境下进行热处理，氩气流量为300sccm，热 处理温度为800℃，处理时间为60min；

2)按铁与镍的摩尔比1：1，将硝酸铁和硝酸镍加入到乙醇中，配制0.05mol/L的硝 酸铁和硝酸镍溶液；

3)将步骤1）处理的碳纤维编织体放入到步骤2）的溶液中浸渍300s，取出后，置于 80℃的干燥箱中干燥2h，将其放入石英舟中，并置于石英管的恒温区，在氩气保护下以 升温速率10℃/min由室温20-25℃升温至400℃，恒温煅烧1h，得到负载有催化剂的碳 纤维编织体；

4)将步骤3）所得的负载有催化剂的碳纤维编织体在氩气保护下以升温速率10℃/min 升温至500℃，以流量为300sccm向石英反应管中通入氢气进行还原，还原时间在60min， 然后在氩气保护下将温度升高到800℃，向反应管中通入氩气、氢气、硫化氢、乙炔进行 反应，其中，氩气、氢气、硫化氢、乙炔按体积流量比为75sccm：250sccm：50sccm、 65sccm，反应时间为30min，反应结束后在氩气保护下降到室温20-25℃，得到产物。

实施例4：

1)将碳纤维编织体放入管式炉在在氩气环境下进行热处理，氩气流量为300sccm，热 处理温度为800℃，处理时间为60min；

2)按铁与镍的摩尔比1：1，将硝酸铁和硝酸镍加入到乙醇中，配制0.075mol/L的硝 酸铁和硝酸镍溶液；

3)将步骤1）处理的碳纤维编织体放入到步骤2）的溶液中浸渍300s，取出后，置于 80℃的干燥箱中干燥2h，将其放入石英舟中，并置于石英管的恒温区，在氩气保护下以 升温速率10℃/min由室温20-25℃升温至400℃，恒温煅烧1h，得到负载有催化剂的碳 纤维编织体；

4)将步骤3）所得的负载有催化剂的碳纤维编织体在氩气保护下以升温速率10℃/min 升温至500℃，以流量为300sccm向石英反应管中通入氢气进行还原，还原时间在60min， 然后在氩气保护下将温度升高到800℃，向反应管中通入氩气、氢气、硫化氢、乙炔进行 反应，其中，氩气、氢气、硫化氢、乙炔按体积流量比为75sccm：250sccm：50sccm、 65sccm，反应时间为30min，反应结束后在氩气保护下降到室温20-25℃，得到产物。

实施例5：

1)将碳纤维编织体放入管式炉在在氩气环境下进行热处理，氩气流量为300sccm，热 处理温度为800℃，处理时间为60min；

2)按铁与镍的摩尔比1：1，将硝酸铁和硝酸镍加入到乙醇中，配制0.1mol/L的硝酸 铁和硝酸镍溶液；

3)将步骤1）处理的碳纤维编织体放入到步骤2）的溶液中浸渍300s，取出后，置于 80℃的干燥箱中干燥2h，将其放入石英舟中，并置于石英管的恒温区，在氩气保护下以 升温速率10℃/min由室温20-25℃升温至400℃，恒温煅烧1h，得到负载有催化剂的碳 纤维编织体；

4)将步骤3）所得的负载有催化剂的碳纤维编织体在氩气保护下以升温速率10℃/min 升温至500℃，以流量为300sccm向石英反应管中通入氢气进行还原，还原时间在60min， 然后在氩气保护下将温度升高到800℃，向反应管中通入氩气、氢气、硫化氢、乙炔进行 反应，其中，氩气、氢气、硫化氢、乙炔按体积流量比为75sccm：250sccm：50sccm、 65sccm，反应时间为30min，反应结束后在氩气保护下降到室温20-25℃，得到产物。

实施例6：

1)将碳纤维编织体放入管式炉在在氩气环境下进行热处理，氩气流量为300sccm，热 处理温度为800℃，处理时间为60min；

2)按铁与镍的摩尔比1：1，将硝酸铁和硝酸镍加入到乙醇中，配制0.05mol/L的硝 酸铁和硝酸镍溶液；

3)将步骤1）处理的碳纤维编织体放入到步骤2）的溶液中浸渍100s，取出后，置于 70℃的干燥箱中干燥1.5h，将其放入石英舟中，并置于石英管的恒温区，在氩气保护下 以升温速率10℃/min由室温20-25℃升温至350℃，恒温煅烧1.5h，得到负载有催化剂的 碳纤维编织体；

4)将步骤3）所得的负载有催化剂的碳纤维编织体在氩气保护下以升温速率10℃/min 升温至500℃，以流量为150sccm向石英反应管中通入氢气进行还原，还原时间为50min， 然后在氩气保护下将温度升高到780℃，当升高到反应温度时，向反应管中通入氩气、氢 气、硫化氢、乙炔进行反应，其中，氩气、氢气、硫化氢、乙炔按体积流量比为70sccm： 150sccm：40sccm：50sccm，反应时间为20-min，反应结束后在氩气保护下降到室温20-25 ℃，得到碳纤维编织体上生长有螺旋状碳纤维。

实施例7：

1)将碳纤维编织体放入管式炉在在氩气环境下进行热处理，氩气流量为300sccm，热 处理温度为800℃，处理时间为60min；

2)按铁与镍的摩尔比1：1，将硝酸铁和硝酸镍加入到乙醇中，配制0.075mol/L的硝 酸铁和硝酸镍溶液；

3)将步骤1）处理的碳纤维编织体放入到步骤2）的溶液中浸渍300s，取出后，置于 90℃的干燥箱中干燥4h，将其放入石英舟中，并置于石英管的恒温区，在氩气保护下以 升温速率10℃/min由室温20-25℃升温至450℃，恒温煅烧3h，得到负载有催化剂的碳 纤维编织体；

4)将步骤3）所得的负载有催化剂的碳纤维编织体在氩气保护下以升温速率10℃/min 升温至600℃，以流量为250sccm向石英反应管中通入氢气进行还原，还原时间为100min， 然后在氩气保护下将温度升高到800℃，当升高到反应温度时，向反应管中通入氩气、氢 气、硫化氢、乙炔进行反应，其中，氩气、氢气、硫化氢、乙炔按体积流量比为200sccm： 300sccm：80sccm：90sccm，反应时间为60min，反应结束后在氩气保护下降到室温20-25 ℃，得到碳纤维编织体上生长有螺旋状碳纤维。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下， 任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落 入本发明的保护范围。