CN103031624A

CN103031624A - 制备连续碳纳米管复合纤维的方法

Info

Publication number: CN103031624A
Application number: CN2012105077142A
Authority: CN
Inventors: 李亚利; 许威
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明公开了一种制备连续碳纳米管复合纤维的方法，步骤为：将乙醇、二茂铁、噻吩和水的混合溶液通过微量注射泵注入载气气流中，经喷嘴导入石英管中，在900~1600℃高温条件下进行反应，反应制备连续碳纳米管纤维，在线浸渍钛酸丁酯、PVA水溶液、环氧树脂溶液、PVB酒精溶液、纳米硅水分散液等复合液制备连续碳纳米管复合纤维。本发明实现了一步合成连续碳管纳米复合纤维，操作简便，适宜大规模工业化生产。

Description

制备连续碳纳米管复合纤维的方法

技术领域

本发明涉及一种纳米材料，特别涉及一种气相流反应在线制备连续碳纳米管复合纤维材料的制备方法。

背景技术

碳纳米管纤维(CNTF)具有多层次结构，由多根碳纳米管聚集组成碳管束，碳管束取向聚集成连续碳纳米管，除了具有碳纳米管优异的力学、电学、磁学及热学等性能，还具有质轻、性柔、热稳定、化学稳定性等优异性能，可制备防弹衣、人工肌肉、灯丝、导电线等，纤维复合，可制备吸波、太阳能、传感器、发声、超电容、锂电等柔性、可编织功能材料，具有极其广泛的应用前景。

高温气相流催化合成法制备碳管纤维是目前最稳定的制备方法，中国专利CN101153413公开了用液封气相流催化反应制备连续碳纳米管纤维的装置和方法，该装置的液体箱用水、乙醇、HCl、PVA水溶液等液体介质密封，由于高温环境，可选择密封液体受限。纤维出密封箱后在线浸渍复合制备连续碳管复合纤维，不受浸渍液体种类的限制，可得到多种复合纤维。

发明内容

本发明的目的，是提供一种连续碳纳米管复合纤维的制备方法，该方法通过对化学气相流纺丝后在线制备连续碳管复合纤维，具有产量大、可操作性强的特征，且不受液相的种类限制，可合成各种不同的功能复合材料。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种制备连续碳纳米管复合纤维的方法，具有如下步骤：

（1）将碳源、催化剂、和促进剂的混合水溶液用微量注射泵注入载气气流中，碳源、催化剂、和促进剂与水的质量百分比组成为：80~96%、1.0~3.0%、1.0~3.0%、1.0~16.0%；

所述碳源为碳氢气体、含碳有机物或者混合碳源，碳源占反应物的质量百分比含量为80~96%；所述碳氢气体为甲烷、乙烯或者乙炔；所述碳氢有机物包括乙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、苯或者二甲苯及其任意混合；所述混合碳源为甲烷与甲醇或者乙烯与甲醇；所述的催化剂为二茂铁、氯化铁、硫化铁、硫酸铁、草酸镍或者草酸钴，催化剂占反应物的质量百分比含量为0.05~10%；所述的促进剂为水、噻吩或者醋酸钼，促进剂占反应物的质量百分比含量为0.02~20%；所述载气为氩气、氢气、氮气和氦气，载气流量为50~4000ml/min；所述混合水溶液的注入速率为2~50ml/h；

（2）步骤（1）的载气和混合水溶液液经喷嘴导入立式反应器装置中进行反应，反应生成连续的碳纳米管纤维；反应器的反应温度为900~1600℃；

（3）步骤（2）的连续碳纳米管纤维出反应区后在线浸渍复合液，制备连续碳纳米管复合纤维；所述浸渍复合液为钛酸丁酯、PVA水溶液、环氧树脂溶液、PVB酒精溶液或者纳米硅水分散液；

（4）在线干燥，得到连续碳纳米管复合纤维。

所述步骤（1）优选的碳源、催化剂、和促进剂为乙醇、二茂铁、噻吩。

所述步骤（1）优选载气为氢气和氩气，氢气载气气流为200~4000ml/min，氩气载气气流为50~500ml/min。

所述步骤（4）的在线干燥为红外烤灯烘烤、热风枪烘烤、加热电阻炉烘烤、热辊烘烤的一种或者几种共同干燥。

本发明的有益效果是，实现了一步制备连续碳纳米管复合纤维，反应条件可操作性强，适宜大规模工业化生产碳纳米管复合纤维。

附图说明

图1为实施例1PVB纤维复合材料光学照片；

图2为实施例3环氧树脂复合纤维截面的扫描电镜图片。

具体实施方式

本发明提供的用于制备连续碳纳米管复合纤维的装置在专利CN200910070631.X公开的设备的基础上，密封装置为连接浸渍装置，在线浸渍制备连续碳纳米管复合纤维。

实施例1

将乙醇（碳源）、二茂铁（催化剂）、噻吩（促进剂）和水按23.7g、0.45g、0.40g、0.66g超声混合配成溶液，溶液通过微量注射器以5ml/h速度注入500ml/min Ar气反应气流中，合成反应在立式反应器装置中进行，立式反应器装置设置1100℃为反应温度。在线浸渍聚乙烯醇缩丁醛（PVB）酒精溶液，在线干燥，制得连续PVB碳纳米管复合纤维。图1PVB纤维复合材料光学照片，表明此方法制得连续碳纳米管复合纤维。

实施例2

将乙醇、二茂铁、噻吩和水按23.7g、0.45g、0.40g、0.66g超声混合配成溶液，溶液通过微量注射器以5ml/h速度注入1000ml/min Ar反应气流中，合成反应在立式反应器装置中进行，立式反应器装置设置1200℃为反应温度。。在线浸渍聚乙烯醇（PVA）水溶液，在线干燥，制得连续PVA碳纳米管复合纤维。

实施例3

将乙醇、二茂铁、噻吩和水按23.7g、0.45g、0.40g、0.66g超声混合配成溶液，溶液通过微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H₂反应气流中，合成反应在立式反应器装置中进行，立式反应器装置设置1000℃为反应温度。在线浸渍环氧树脂溶液，在线干燥，制得环氧树脂碳纳米管复合纤维。图2环氧树脂复合纤维截面的扫描电镜图片，表明该方法制得均匀复合连续碳纳米管纤维。

实施例4

将乙醇、二茂铁、噻吩和水按23.7g、0.45g、0.40g、0.66g超声混合配成溶液，溶液通过微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H₂反应气流中，合成反应在立式反应器装置中进行，立式反应器装置设置900℃为反应温度。在线浸渍纳米管分散液，在线干燥，制得连续纳米硅碳纳米管复合纤维。

实施例5

将乙醇、二茂铁、噻吩和水按23.7g、0.45g、0.40g、0.66g超声混合配成溶液，溶液通过微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H₂反应气流中，合成反应在立式反应器装置中进行，立式反应器装置设置1300℃为反应温度。在线浸渍聚丙烯腈（PAN），在线干燥，制得连续PAN/碳纳米管复合纤维。

实施例6

将乙醇、二茂铁、噻吩和水按23.7g、0.45g、0.40g、0.66g超声混合配成溶液，溶液通过微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H₂反应气流中，合成反应在立式反应器装置中进行，立式反应器装置设置1000℃为反应温度。在线浸聚乙烯吡咯烷酮（PVP），在线干燥，制得连续PVP碳纳米管复合纤维。

实施例7

将乙醇、二茂铁、噻吩和水按23.7g、0.45g、0.40g、0.66g超声混合配成溶液，溶液通过微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H₂反应气流中，合成反应在立式反应器装置中进行，立式反应器装置设置1500℃为反应温度。在线浸渍聚环氧乙烷（PEO），在线干燥，制得连续PEO/碳纳米管复合纤维。

实施例8

将乙醇、二茂铁、噻吩和水按23.7g、0.45g、0.40g、0.66g超声混合配成溶液，溶液通过微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H₂反应气流中，合成反应在立式反应器装置中进行，立式反应器装置设置1200℃为反应温度。在线浸渍钛酸丁酯，在线干燥，制得连续二氧化钛碳纳米管复合纤维。

本发明所列举的各原料都能实现本发明，在此不一一进行举例说明。

Claims

1.一种制备连续碳纳米管复合纤维的方法，具有如下步骤：

（4）在线干燥，得到连续碳纳米管复合纤维。

2.根据权利要求1的制备连续碳纳米管复合纤维的方法，其特征在于，所述步骤（1）优选的碳源、催化剂、和促进剂为乙醇、二茂铁、噻吩。

3.根据权利要求1的制备连续碳纳米管复合纤维的方法，其特征在于，所述步骤（1）优选载气为氢气和氩气，氢气载气气流为200~4000ml/min，氩气载气气流为50~500ml/min。

4.根据权利要求1的制备连续碳纳米管复合纤维的方法，其特征在于，所述步骤（4）的在线干燥为红外烤灯烘烤、热风枪烘烤、加热电阻炉烘烤、热辊烘烤的一种或者几种共同干燥。