CN101613895B - 基于化学气相流纺丝法惰性气氛中制备碳纳米管纤维的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于化学气相流纺丝法惰性气氛中制备碳纳米管纤维的工艺方法。该方法的具体步骤包括：采用乙醇、丙酮、乙二醇、二甲苯或正己烷为碳源，二茂铁、氯化铁、草酸镍或醋酸钴为催化剂，噻吩为促进剂，氩气、氮气、氦气为载气，在1100～1300℃温度范围内，50～500sccm的载气流速下制备出连续碳纳米管纤维。本发明的优点在于该制备技术采用惰性气体为载气，利于规模化制备碳纳米管纤维。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于化学气相流纺丝法惰性气氛中制备碳纳米管纤维的工艺方法，属于碳纳米管纤维制备技术领域。
背景技术
碳纳米管(CNTs)具有高强度、高导电，电化学反应、气敏和电场发射等优异的力学和多功能特性，由碳管组成的纤维具有潜在的力学和多功能特性，是目前高性能碳纤维的下一代材料。碳管纤维在制备高性能复合材料，高导电材料，超电容，人工肌肉和智能纺织等领域有重要的应用前景。目前Windle等采用化学气相流纺丝法在氢气氛围下乙醇为碳源、二茂铁为催化剂制备出高性能连续碳纳米管纤维，但高温氢气存在着潜在的危险性，不利于工业化生产，目前还没有在惰性气氛中采用化学气相流纺丝法制备出连续碳纳米管纤维的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于化学气相流纺丝法惰性气氛中制备碳纳米管纤维的工艺方法，该方法合成碳纳米管纤维具有产量大、纯度高、取向性好的特征。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的：采用卧式反应器装置，将碳源、催化剂和促进剂噻吩和微量的水均匀混合配成溶液，待卧式反应器升到合成温度时，用微量注射泵将其注入惰性载气气流中，混合溶液经法兰高温汽化随载气进入(‘流入’)合成反应器中进行反应，反应区生成筒状的连续碳纳米管纤维又随载气带出(‘流出’)合成反应器并粘附于反应器尾端的转轴上，从而实现碳纳米管纤维的连续制备。
所述的碳源可为乙醇、丙酮、乙二醇、二甲苯或正己烷；催化剂可为二茂铁、氯化铁、草酸镍或醋酸钴；惰性气体载气可为氩气、氮气、氦气；所述的合成温度可在1100～1300℃；所述的碳源、催化剂、噻吩和水的质量百分比组成：80～96％、1.0～3.0％、1.0～3.0％、1.0～10.0％；所述的碳源、催化剂和噻吩的混合水溶液注入速度为5～15ml/h；所述的载气流速为50sccm～500sccm，所述的制备连续碳管纤维的反应器为卧式反应器装置，类似于美国专利US Patent 2005/006801-A1。
本发明提供了一种在安全气氛下，连续制备碳纳米管纤维的工艺方法，可克服现在高 温氢气氛围中易爆的缺点，使大规模工业化生产连续碳纳米管纤维成为可能。该方法合成碳纳米管纤维具有产量大、纯度高、取向性好的特征。
附图说明
图1：本发明使用的反应器装置示意图。
图2：本发明实施实例1得到连续碳纳米管纤维产物。
图3：本发明实施实例2得到筒状连续碳纳米管纤维产物。
图4：本发明实施实例1得到连续碳纳米管纤维产物的扫描电镜图。
图5：本发明实施实例2得到连续碳纳米管纤维产物的扫描电镜图。
图6：本发明实施实例1得到连续碳纳米管纤维产物的透射电镜图。
具体实施方式
如图所示，1是法兰，2是反应液，3是载气，4是碳纳米管纤维，5是纺轴，6是反光镜。
实施例1：配制含有18.75g乙醇、0.6g二茂铁、0.10g噻吩、0.1g水的混合溶液，然后将混合液超声分散10min，制得黄色反应溶液，待管式电阻炉温度升到合成温度1150℃后，将反应液以7.0ml/h速度注入到200ml/min氩气为载气的气流中，反应液遇法兰(300℃)迅速高温汽化，在载气的带动下进入高温的合成反应器中进行反应，通过石英管后的反光镜观察发现石英管的高温区会形成的圆筒状的碳管纤维，筒状纤维氩气带动下连续的从反应区’流出’并到达石英管交叉处。此时，当转动石英管末端的电机，筒状纤维能连续的缠绕在缠绕杆上。
实施例2：配制含有18.75g丙酮、0.6g二茂铁、0.10g噻吩的混合溶液，然后将混合液超声分散10min，制得黄色反应溶液，待管式电阻炉温度升到合成温度1150℃后，将反应液以7.0ml/h速度注入到200ml/min氩气为载气的气流中，反应液遇法兰(300℃)迅速高温汽化，在载气的带动下进入高温的合成反应器中进行反应，通过石英管后的反光镜观察发现石英管的高温区会形成的圆筒状的碳管纤维，筒状纤维氩气带动下连续的从反应区’流出’并到达石英管交叉处。此时，当转动石英管末端的电机，筒状纤维能连续的缠绕在缠绕杆上。
实施例3：配制含有18.75g丙酮、0.6g二茂铁、0.10g噻吩的混合溶液，然后将混合液超声分散10min，制得黄色反应溶液，待管式电阻炉温度升到合成温度1150℃后，将反应液以7.0ml/h速度注入到200ml/min氮气为载气的气流中，反应液遇法兰(300℃)迅速高温汽化，在载气的带动下进入高温的合成反应器中进行反应，通过石英管后的反光镜观察发现石英管的高温区会形成的圆筒状的碳管纤维，筒状纤维氩气带动下连续的 从反应区’流出’并到达石英管交叉处。此时，当转动石英管末端的电机，筒状纤维能连续的缠绕在缠绕杆上。
实施例4：配制含有18.75g丙酮、0.6g二茂铁、0.10g噻吩的混合溶液，然后将混合液超声分散10min，制得黄色反应溶液，待管式电阻炉温度升到合成温度1150℃后，将反应液以7.0ml/h速度注入到200ml/min氦气为载气的气流中，反应液遇法兰(300℃)迅速高温汽化，在载气的带动下进入高温的合成反应器中进行反应，通过石英管后的反光镜观察发现石英管的高温区会形成的圆筒状的碳管纤维，筒状纤维氩气带动下连续的从反应区’流出’并到达石英管交叉处。此时，当转动石英管末端的电机，筒状纤维能连续的缠绕在缠绕杆上。
实施例5：配制含有18.75g乙醇、0.6g二茂铁、0.10g噻吩的混合溶液，然后将混合液超声分散10min，制得黄色反应溶液，待管式电阻炉温度升到合成温度1150℃后，将反应液以7.0ml/h速度注入到200ml/min氮气为载气的气流中，反应液遇法兰(300℃)迅速高温汽化，在载气的带动下进入高温的合成反应器中进行反应，通过石英管后的反光镜观察发现石英管的高温区会形成的圆筒状的碳管纤维，筒状纤维氩气带动下连续的从反应区’流出’并到达石英管交叉处。此时，当转动石英管末端的电机，筒状纤维能连续的缠绕在缠绕杆上。
实施例6：配制含有18.75g乙醇、0.6g二茂铁、0.10g噻吩的混合溶液，然后将混合液超声分散10min，制得黄色反应溶液，待管式电阻炉温度升到合成温度1150℃后，将反应液以7.0ml/h速度注入到200ml/min氦气为载气的气流中，反应液遇法兰(300℃)迅速高温汽化，在载气的带动下进入高温的合成反应器中进行反应，通过石英管后的反光镜观察发现石英管的高温区会形成的圆筒状的碳管纤维，筒状纤维氩气带动下连续的从反应区’流出’并到达石英管交叉处。此时，当转动石英管末端的电机，筒状纤维能连续的缠绕在缠绕杆上。
Claims (1)
1.一种基于化学气相流纺丝法惰性气氛中制备碳纳米管纤维的工艺方法，将碳源、催化剂和促进剂噻吩和微量的水均匀混合配成溶液，在1100～1300℃下合成，其特征在于采用卧式反应器装置，待卧式反应器升到所述的合成温度时，用微量注射泵将混合溶液注入惰性载气气流中，混合溶液经法兰高温汽化随载气进入合成反应器中进行反应，反应区生成筒状的连续碳纳米管纤维又随载气带出合成反应器并粘附于反应器尾端的转轴上，从而实现碳纳米管纤维的连续制备；
所述的碳源为乙醇、丙酮、乙二醇、二甲苯或正己烷；
所述的催化剂为二茂铁、氯化铁、草酸镍或醋酸钴；
所述的碳源、催化剂、噻吩和水的质量百分比组成：80～96％、1.0～3.0％、1.0～3.0％、1.0～10.0％；所述的载气流速为50sccm～500sccm；
所述的惰性载气为氩气、氮气或氦气；
所述的碳源、催化剂和噻吩的混合水溶液注入速度为7.0ml/h。
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