CN108218216B - 一种导电玄武岩纤维材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种导电玄武岩纤维材料的制备方法，该方法利用碳纳米管、碳纳米纤维、热解碳新型碳纳米材料优异的电学性质，以气相为介质并结合玄武岩纤维自带催化剂元素的优势，利用化学气相沉积法在纤维表面均匀沉积碳纳米材料涂层。该方法还可通过控气体流量、反应时间等实验条件来调控碳纳米材料的形貌、厚度以及导电性，如形貌可以是热解碳形成的光滑结构，也可以是碳纳米管和碳纳米纤维形成的毛绒状结构，纤维的电导率在101到104 S/cm范围内可调。此外，碳纳米材料的存在还赋予玄武岩纤维表面很强的疏水亲油性能，材料在油水分离领域具有潜在的应用。

Description

一种导电玄武岩纤维材料的制备方法
技术领域
本发明属于纳米复合材料制备技术领域，具体涉及一种利用碳纳米材料改性实现导电玄武岩纤维材料的制备方法。
玄武岩纤维是以玄武岩矿石为原料，经过高温熔化后拉制而成，其主要成分包括SiO2、FexOy、Al2O3、CaO、MgO等。玄武岩纤维具有优异的力学性能、化学稳定性、耐高温性能和耐酸碱性能，因此在纤维增强复合材料、高温过滤、吸声减噪等领域有着广泛的应用。在复合材料领域，通过对玄武岩纤维界面进行改性，可以提高其与基体的界面结合强度，进而提高整体材料的力学性能。如专利CN201510370386中报道采用表面涂覆浸润剂来提高玄武岩纤维的耐磨性和集束性，可以改善整体纤维的力学强度；专利CN201510979756报道了在玄武岩纤维表面使用环氧树脂、聚酯乳液和乙烯基树脂乳液复配的表面涂层来提高纤维与热固性树脂的相互作用，从而提高复合材料的力学性能。
但玄武岩矿石属于绝缘材料，这一属性限制了相应的纤维材料在导电领域的应用。而开发导电玄武岩纤维有望在防静电、电磁波屏蔽等领域中代替碳纤维，这样可以拓宽玄武岩纤维的应用范围，提升材料的附加值。目前，开发导电玄武岩纤维的研究很少，鉴于玄武岩纤维和玻璃纤维同属无机非金属纤维，相关的研究方法可以作为借鉴参考。实现玻璃纤维导电常用的方法是在纤维表面涂覆碳纳米材料，包括利用上浆法、蘸涂法、电泳法等，如Gao报道利用电泳法将碳纳米管涂覆在单根玻璃纤维表面是指具有导电性(Carbon，2010，48，2273-2281)。但是这些方法制备的涂层均匀性较差，局部形貌差异大，从而也使得涂覆后材料的导电性差异较大。
鉴于此，本发明旨在提供一种利用碳纳米材料实现玄武岩纤维导电的新方法。
发明内容
本发明目的在于，提供一种导电玄武岩纤维材料的制备方法，该方法利用碳纳米管、碳纳米纤维、热解碳新型碳纳米材料优异的电学性质，以气相为介质并结合玄武岩纤维自带催化剂元素的优势，利用化学气相沉积法在纤维表面均匀沉积碳纳米材料涂层。该方法还可通过控气体流量、反应时间等实验条件来调控碳纳米材料的形貌、厚度以及导电性，如形貌可以是热解碳形成的光滑结构，也可以是碳纳米管和碳纳米纤维形成的毛绒状结构，纤维的电导率在101到104S/cm范围内可调。此外，碳纳米材料的存在还赋予玄武岩纤维表面很强的疏水亲油性能，材料在油水分离领域具有潜在的应用。
本发明所述的一种导电玄武岩纤维材料的制备方法，按下列步骤进行：
a、将玄武岩纤维束或玄武岩纤维布置于无水乙醇中超声波清洗0.5-3h后取出，在烘箱中40℃干燥1-3h；
b、将步骤a中烘干的玄武岩纤维束或玄武岩纤维布置于管式炉中，在保护性气体氮气、氩气、氦气中的一种或两种混合气氛围下升温至500-1000℃，恒温1-4h；
c、在步骤b完成后，将管式炉中通入碳源气乙炔、乙烯或甲烷的一种或两种混合气体，气流量为50-800sccm，温度500-1000℃下，恒温1-4h，之后在惰性气体氮气、氩气、氦气的一种或两种混合气氛围下降至室温，即得到导电玄武岩纤维材料。
所得到导电玄武岩纤维其表面主要成分为热解碳或碳纳米管或碳纳米纤维。
本发明所述的一种导电玄武岩纤维的制备方法，该方法中所用的玄武岩纤维为无捻粗纱、加捻丝束、平纹织物、斜纹织物、网格或毡的玄武岩产品。
本发明所述的一种导电玄武岩纤维的制备方法，该方法以玄武岩纤维为基体，实现了在不预加催化剂的情况下碳纳米材料在纤维表面的可控生长。依据本发明提供的方法，可以选择性地在玄武岩纤维表面形成热解碳或碳纳米管或碳纳米纤维，实现了纤维由绝缘体向导体的转变。该方法的优点在于通过控制实验条件，实现碳纳米材料类型和含量的可控化，进而可以调控得到具有不同表面形貌和电导率(101-104S/cm)的导电玄武岩纤维。改性后的纤维除了具有导电性能外，还具有优异的疏水亲油性能，在导电复合材料、油水分离等领域有着巨大的应用前景。
本发明所述的一种导电玄武岩纤维的制备方法，该方法与现有技术相比有以下创新性：
1、本发明利用玄武岩纤维中的金属元素作为催化剂，实现了无需负载催化剂即可实现碳纳米管或裂解碳在纤维表面的可控生长和沉积；
2、依据本发明制备的碳纳米材料尺度、形貌可控，纤维材料的导电性能可调，可以进行批量生产，从而为导电玄武岩纤维在实际中的应用提供了基础。
3、沉积有碳纳米材料的玄武岩纤维具有亲水疏油性能，在油水分离领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明未改性前玄武岩纤维平面的扫描电镜图；
图2为本发明未改性前玄武岩纤维截面的扫描电镜图；
图3为本发明中热解碳改性后玄武岩纤维平面的扫描电镜图；
图4为本发明中热解碳改性后玄武岩纤维截面的扫描电镜图；
图5为本发明中较少碳纳米管和碳纳米纤维改性后玄武岩纤维平面的扫描电镜图；
图6为本发明中较少碳纳米管和碳纳米纤维改性后玄武岩纤维截面的扫描电镜图；
图7为本发明中较多碳纳米管和碳纳米纤维改性后玄武岩纤维平面的扫描电镜图；
图8为本发明中较多碳纳米管和碳纳米纤维改性后玄武岩纤维截面的扫描电镜图；
图9为本发明中改性前玄武岩纤维布与水滴接触角照片；
图10为本发明中碳纳米管改性后玄武岩纤维布与水滴接触角照片。
具体实施方式
实施例1
a、将30cm长的玄武岩纤维束置于无水乙醇中超声波清洗1h后取出，在温度40℃干燥1h后取出，纤维的平面和截面形貌见图1和2；
b、将步骤a中干燥的玄武岩纤维束置于管式炉中，在保护性气体氮气气氛中升温到500℃，恒温4h；
c、在步骤b完成后，将管式炉中通入碳源为乙炔50sccm和甲烷40sccm的混合气体，气流量为90sccm，在温度500℃下，恒温1h，之后在惰性气体氮气气氛下降至室温，即得到热解碳改性的导电玄武岩纤维材料，纤维的平面和截面形貌见图3和图4。
实施例2
a、将长30cm、宽15cm的玄武岩纤维布置于无水乙醇中超声波清洗2h后取出，在40℃烘箱中干燥2h后取出，纤维的平面和截面形貌与图1和2的形貌类似；
b、将步骤a中干燥的玄武岩纤维布置于管式炉中，在保护性气体氦气气氛中升温到700℃，恒温3h；
c、在步骤b完成后，将管式炉中通入碳源为甲烷气体，气流量为200sccm，温度700℃下，恒温3h，之后在惰性气体氩气气氛下降至室温，即得到少量碳纳米管和碳纳米纤维改性的导电玄武岩纤维材料，纤维的平面和截面形貌见图5和图6。
实施例3
a、将40cm长的玄武岩纤维束置于无水乙醇中超声波清洗1.5h后取出，在温度40℃烘箱中干燥1h后取出，纤维的平面和截面形貌与图1和2的形貌类似；
b、将步骤a中干燥的玄武岩纤维束置于管式炉中，在保护性气体氦气气氛中升温到850℃，恒温4h；
c、在步骤b完成后，将该管式炉中通入碳源气为乙烯200sccm和甲烷100sccm的混合气体，气流量为300sccm，温度850℃下恒温2h，之后在惰性气体氦气气氛下降至室温，即得到热解碳改性的玄武岩纤维，形貌同图3和图4。
实施例4
a、将40cm长，20cm宽的玄武岩纤维布置于无水乙醇中超声波清洗2.5h后取出，在温度40℃烘箱中干燥3h后取出；
b、将步骤a中干燥的玄武岩纤维布置于管式炉中，在保护性气体氮气和氦气气氛中升温到1000℃，恒温1h；
c、在步骤b完成后，将管式炉中通入碳源气为乙炔400sccm和乙烯400sccm的混合气体，气流量为800sccm，温度1000℃下恒温1h，之后在惰性气体氮气和氦气气氛下降至室温，即得到较长碳纳米管和碳纳米纤维改性的玄武岩纤维，改性后纤维的平面和截面形貌见图7和图8，图9和图10是玄武岩纤维布在处理前后的静态水接触角照片，从中可以看到：改性前材料的静态水接触角为84.8o，改性后达到152.8o，具有亲油超疏水性能。
实施例5
a、将50cm长的玄武岩纤维束置于无水乙醇中超声波清洗1h后取出，在温度40℃烘箱中干燥1h后取出，纤维的平面和截面形貌类似图1和2；
b、将步骤a中烘干的玄武岩纤维束置于管式炉中，在保护性气体氮气和氩气气氛中升温到600℃，恒温4h；
c、在步骤b完成后，将该管式炉中通入碳源气为乙炔气体，气流量为400sccm，温度600℃下恒温2h，之后在惰性气体氮气和氩气气氛下降至室温，即得到热解碳改性的玄武岩纤维，纤维的平面和截面形貌类似图3和图4。
实施例6
a、将30cm长的玄武岩纤维束置于无水乙醇中超声波清洗3h后取出，在温度40℃烘箱中干燥1h后取出，纤维的平面和截面形貌类似图1和2；
b、将步骤a中干燥的玄武岩纤维束置于管式炉中，在保护性气体氦气和氩气气氛中升温到650℃，恒温4h；
c、在步骤b完成后，将管式炉中通入碳源气为乙烯气体，气流量为600sccm，温度800℃下恒温1.5h，之后在惰性气体氦气和氩气气氛下降至室温，即得到热解碳改性的玄武岩纤维，纤维的平面和截面形貌类似图3和图4。

Claims (1)

1.一种导电玄武岩纤维材料的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：
a、将玄武岩纤维束或玄武岩纤维布置于无水乙醇中超声波清洗0.5-3 h后取出，在烘箱中40℃干燥1-3 h；
b、将步骤a中烘干的玄武岩纤维束或玄武岩纤维布置于管式炉中，在保护性气体氮气、氩气、氦气中的一种或两种混合气氛围下升温至500-1000℃，恒温1-4 h；
c、在步骤b完成后，将管式炉中通入碳源气乙炔、乙烯或甲烷的一种或两种混合气体，气流量为50-800 sccm，温度500-1000℃下，恒温1-4 h，之后在惰性气体氮气、氩气、氦气的一种或两种混合气氛围下降至室温，即得到表面主要成分为碳纳米管或碳纳米纤维的导电玄武岩纤维材料。
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