CN109485030B - 改性碳纳米阵列、碳纳米纤维及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改性碳纳米阵列、碳纳米纤维及其制备方法和应用。该改性碳纳米阵列的制备方法包括如下步骤：在第一基底上沉积催化剂层，催化剂选自铁、钴及镍中的至少一种；在保护性气体氛围下，将第一基底升温至700℃～800℃后，通入碳源气体反应，在第一基底上形成碳纳米管阵列，碳源气体包括乙烯和己烷；及在保护性气体氛围下，对聚合物和第一基底进行紫外光照射处理，以使聚合物与碳纳米管阵列进行接枝反应，得到改性碳纳米阵列，聚合物选自醛酮树脂及环己酮衍生物中的至少一种。上述制备方法得到的改性碳纳米阵列具有较高的相容性。

Description

改性碳纳米阵列、碳纳米纤维及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料技术领域，特别是涉及一种改性碳纳米阵列、碳纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。其重量较轻，具有优异的电性能，在医疗卫生、高效防护、精细过滤、汽车工业及农业等领域广泛应用。然而，传统的碳纳米管的相容性较差，严重限制了碳纳米管的应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种改性碳纳米阵列的制备方法，该制备方法得到的改性碳纳米阵列具有较高的相容性。

此外，还提供一种改性碳纳米阵列和碳纳米纤维及其制备方法和应用。

一种改性碳纳米阵列的制备方法，包括如下步骤：

在第一基底上沉积催化剂层，所述催化剂选自铁、钴及镍中的至少一种；

在第一保护性气体氛围下，将形成有所述催化剂层的所述第一基底升温至700℃～800℃后，通入碳源气体反应，于所述第一基底上形成碳纳米管阵列，所述碳源气体包括乙烯和己烷，所述乙烯与所述己烷的气体分压比为3:2～4:1；及

在第二保护性气体氛围下，对聚合物和形成有所述碳纳米管阵列的所述第一基底进行紫外光照射处理，以使所述聚合物与所述碳纳米管阵列进行接枝反应，得到改性碳纳米阵列，所述聚合物选自醛酮树脂及环己酮衍生物中的至少一种，所述环己酮衍生物的结构式如下：

所述n为大于15的整数；所述紫外光为照射波长为218nm～289nm的单色窄带光，照射功率为20mW～30mW。

上述改性碳纳米阵列的制备方法，通过将碳源气体与催化剂于700℃～800℃反应，碳源气体包括乙烯和己烷，乙烯与己烷的气体分压比为3:2～4:1，催化剂选自铁、钴及镍中的至少一种，能够得到具有高分散性的碳纳米管阵列，并且通过紫外光为照射波长为218nm～289nm的单色窄带光进行照射，设置照射功率为20mW～30mW，使得聚合物接枝于碳纳米管阵列上，聚合物选自醛酮树脂及环己酮衍生物中的至少一种，环己酮衍生物的结构式如下：

n为大于15的整数，以得到具有较高相容性的改性纳米管阵列，以使改性碳纳米阵列能够更加广泛的应用。经试验验证，采用上述方法制备得到的碳纳米管阵列的Zeta电位为31mV～40mV，具有较高的分散性，且该改性碳纳米阵列与环氧树脂具有较好的相容性，应用范围更加广泛。

在其中一个实施例中，所述碳纳米管阵列的长度为800μm～1000μm，所述碳纳米管阵列中碳纳米管的直径为10nm～15nm。

在其中一个实施例中，所述催化剂由镍和钴组成，且所述镍和所述钴的质量比为0.8:1～1.2:1。

在其中一个实施例中，所述在第二保护性气体氛围下，对聚合物和形成有所述碳纳米管阵列的所述第一基底进行紫外光照射处理的步骤具体为：在第二基底上形成所述聚合物；将形成有所述碳纳米管阵列的所述第一基底和形成有所述聚合物的所述第二基底并排设置；在所述第二保护性气体氛围下，对形成有所述碳纳米管阵列的所述第一基底和形成有所述聚合物的所述第二基底进行紫外光照射处理。

在其中一个实施例中，所述聚合物的重均分子量为10000～50000。

在其中一个实施例中，所述聚合物由所述醛酮树脂及所述环己酮衍生物组成，且所述醛酮树脂及所述环己酮衍生物的摩尔比为0.8：1～1.13：1。

一种改性碳纳米阵列，由上述改性碳纳米阵列的制备方法制备得到。

一种碳纳米纤维的制备方法，将上述改性碳纳米阵列进行纺丝，得到碳纳米纤维。

一种碳纳米纤维，由上述碳纳米纤维的制备方法制备得到。

上述碳纳米纤维在制备布料中的应用。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面对本发明进行更全面的描述。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

一实施方式的碳纳米纤维的制备方法，能够制备具有较高相容性的改性碳纳米阵列，以得到具有较优力学性能的碳纳米纤维，进而应用于制备品质较高的布料。

需要说明的是，可以采用传统的纺织方法将碳纳米纤维纺织成布料。传统的纺织方法例如可以是平织法或斜纹织法。需要说明的是，可以采用单根碳纳米纤维进行纺织，也可以将多根碳纳米纤维平行制成一根再进行纺织。

具体地，该碳纳米纤维的制备方法包括如下步骤S110～S140：

S110、在第一基底上沉积催化剂层。催化剂选自铁、钴及镍中的至少一种。

在其中一个实施例中，采用电子束蒸发法在第一基底的表面形成催化剂层。进一步地，催化剂层的厚度为20nm～23nm。

在其中一个实施例中，催化层的材料由钴和镍组成。镍和钴的质量比为0.8:1～1.2:1。

在其中一个实施例中，第一基底为氧化铝板。第一基底的尺寸为5英尺。当然，在其他实施方式中，第一基底的尺寸也可以是其他任意尺寸。进一步地，第一基底具有第一工作面，在第一工作面沉积形成催化剂层。

S120、在第一保护性气体氛围下，将形成有催化剂层的第一基底升温至700℃～800℃后，通入碳源气体反应，于第一基底上形成碳纳米管阵列。碳源气体包括乙烯和己烷，乙烯与己烷的气体分压比为3:2～4:1。

通过将碳源气体与催化剂于700℃～800℃反应，碳源气体包括乙烯和己烷，乙烯与己烷的气体分压比为3:2～4:1，催化剂选自铁、钴及镍中的至少一种，能够得到具有高分散性的碳纳米管阵列，有利于保证碳纳米纤维的力学性能。

在其中一个实施例中，将沉积有催化剂层的第一基底放置于化学气相反应炉中进行反应。进一步地，先向化学气相反应炉中通入第一保护性气体，再升高化学气相反应炉的温度至700℃～800℃，使得催化剂层在第一基底上均匀成核；再向其中通入碳源气体进行反应。

进一步地，碳源气体的流速为8mL/min～12mL/min，通入碳源气体进行反应的时间为10min～25min。通过此设置，能够得到分散性更好的碳纳米管阵列，以能够得到具有较好力学性能的碳纳米纤维。

在其中一个实施例中，第一保护性气体选自氮气、氢气、氩气和氦气中的至少一种。

在其中一个实施例中，碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列。需要说明的是，碳纳米管阵列也可以是多壁碳纳米管阵列。需要说明的是，采用上述改性碳纳米阵列的制备方法时，单壁碳纳米管阵列的表面较多壁碳纳米管阵列的表面修饰难度更大。

在其中一个实施例中，碳纳米管阵列的长度为800μm～1000μm。碳纳米管阵列中碳纳米管的直径为10nm～15nm。

S130、在第二保护性气体氛围下，对聚合物和形成有碳纳米管阵列的第一基底进行紫外光照射处理，以使聚合物与碳纳米管阵列进行接枝反应，得到改性碳纳米阵列。聚合物选自醛酮树脂及环己酮衍生物中的至少一种，环己酮衍生物的结构式如下：

n为大于15的整数。紫外光为照射波长为218nm～289nm的单色窄带光，照射功率为20mW～30mW。

通过紫外光为照射波长为218nm～289nm的单色窄带光进行照射，设置照射功率为20mW～30mW，使得聚合物接枝于碳纳米管阵列上，聚合物选自醛酮树脂及环己酮衍生物中的至少一种，以得到具有较高相容性的改性纳米管阵列，使得到的改性碳纳米阵列的应用更加广泛。

在其中一个实施例中，聚合物的重均分子量为10000～50000。进一步地，聚合物的重均分子量为15000～35000。

在其中一个实施例中，聚合物由醛酮树脂及环己酮衍生物组成。醛酮树脂及环己酮衍生物的摩尔比为0.8：1～1.13：1。此设置的聚合物接枝于碳纳米管阵列的表面，能够进一步降低由于碳纳米管之间的范德华力所致的团聚，提高改性碳纳米阵列的相容性，保证改性碳纳米阵列的力学性能，得到具有更优力学性能的碳纳米纤维。

在其中一个实施例中，第二保护性气体的流速为2L/min～3L/min。第二保护性气体选自氮气、氦气、氖气及氩气中的至少一种。

在其中一个实施例中，进行紫外光照射处理时，紫外光的照射功率为23mW～26mW。在此照射功率下，有利于提高反应体系的热效应，使得体系温度升高至聚合物形成气态状态，并在保护性气体气流的作用下移动至碳纳米管阵列的表面与碳纳米管阵列发生接枝聚合反应。

在其中一个实施例中，紫外光为照射波长为256nm～289nm的单色(monochromatic)窄带光。进一步地，单色窄带光为带宽为218nm～298nm的单色光。

在其中一个实施例中，进行紫外光照射处理的时间为10min～35min。在其中一个实施例中，进行紫外光照射处理的时间为15min～30min。在其中一个实施例中，进行紫外光照射处理的时间为23min。

在其中一个实施例中，进行紫外光照射处理时，紫外光的照射功率为25mW，紫外光为256nm的单色窄带光，进行紫外光照射处理的时间为20min。在此条件下，有利于保证聚合物能够接枝到碳纳米管阵列的情况下减少紫外光对聚合物及碳纳米管阵列结构的破坏，以保证碳纳米管阵列的力学性能。

在其中一个实施例中，在第二基底上形成聚合物；将形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底并排设置；在第二保护性气体氛围下，对形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底进行紫外光照射处理，以聚合物与碳纳米管阵列进行接枝反应。

进一步地，第二基底为硅片、镍片或铜片。第二基底的主要作用在于对承载聚合物，而硅片、镍片及铜片的稳定性好，不会与聚合物发生反应。第二基底的尺寸为50mm*50mm，当然，在其他实施方式中，第二基底的尺寸也可以是其他任意尺寸。进一步地，第二基底具有第二工作面，聚合物形成于第二工作面上。聚合物薄膜完全覆盖第二工作面。

在其中一个实施例中，聚合物以薄膜的形式设置于在第二基底上，当然，在其他实施方式中，也可以采用剪切聚合物材料再置于第二基底上的方式。

在其中一个实施例中，在第二基底上沉积的聚合物薄膜的厚度为1mm～5mm。

在其中一个实施例中，紫外光源距离第一基底及第二基底的距离为2mm～10mm。

在其中一个实施例中，将形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底并排放置于同一反应腔中。反应腔能够密闭，且反应腔具有一进气口和一出气口。反应腔中设有紫外光组件，能够对反应腔进行紫外光照射处理。进一步地，将形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底并排放置，使得第一基底上的碳纳米管阵列与第二基底上的聚合物处于同一水平面上。更进一步地，碳纳米管阵列的边缘与聚合物薄膜的边缘接触。

具体地，对形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底进行紫外光照射处理的过程中，首先封闭反应腔的进气口及出气口，并对反应腔进行抽真空处理，使反应腔内的气压降至10^-2Torr以下。优选地，使反应腔内的气压降低至10^-6Torr以下。其次，再通过进气口向反应腔中通入保护性气体直至达到正常大气压，打开出气口，并不断通入保护性气体保持体系的压强。

在其中一个实施例中，对形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底进行紫外光照射处理之后，还包括将第一基底放置于保护性气体氛围下自然冷却的操作。需要说明的是，在其他实施方式中，将第一基底放置于保护性气体氛围下自然冷却的操作也可以省略。

在其中一个实施例中，将第一基底放置于保护性气体氛围下自然冷却的操作中，保护性气体选自氮气、氩气和氦气中的至少一种。将第一基底放置于保护性气体氛围下进行自然冷却能够防止碳纳米管阵列暴露在空气中而被氧化。

S140、对改性碳纳米阵列进行纺丝，得到碳纳米纤维。

在其中一个实施例中，对改性碳纳米阵列进行纺丝得到碳纳米纤维的操作具体为：采用夹取工具从改性碳纳米阵列的边缘夹取改性碳纳米阵列，并沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽和旋转，以使改性碳纳米阵列被拉伸，且使改性碳纳米阵列中的每根改性碳纳米管拧在一起，得到碳纳米纤维。

在夹取工具拉伸改性碳纳米阵列时，改性碳纳米管通过范德华力及修饰在改性碳纳米阵列表面的共聚物或共聚物的分解物之间的非共价键相互作用力带动改性碳纳米阵列持续不断地被拉出而呈丝状，再通过旋转改性碳纳米阵列使得改性碳纳米阵列中的每根改性碳纳米管拧在一起，即为碳纳米纤维。

进一步地，S120的步骤具体为：从改性碳纳米阵列的边缘夹取的改性碳纳米阵列，并沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽，得到丝状纳米管阵列；从丝状纳米管阵列的边缘夹取的丝状纳米管阵列，并沿着垂直于丝状纳米管阵列的延伸方向进行旋转并拖拽，以使丝状纳米管阵列被拉伸，且使丝状纳米管阵列中的每根丝状纳米管拧在一起，得到碳纳米纤维。

在其中一个实施例中，从改性碳纳米阵列边缘夹取改性碳纳米阵列时，夹取的宽度为50μm～150μm。进一步地，从改性碳纳米阵列边缘夹取改性碳纳米阵列时，夹取的宽度为100μm～150μm。

在其中一个实施例中，沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽时的速率为0.05m/s～0.5mm/s。进一步地，沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽时的速率为0.1m/s～0.4mm/s。更进一步地，沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽时的速率为0.2m/s～0.3mm/s。

在其中一个实施例中，沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽并旋转时的转速为1000rpm～3000rpm。进一步地，沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽并旋转时的转速为2000rpm。

在其中一个实施例中，碳纳米纤维的直径为10μm～200μm。

在其中一个实施例中，碳纳米纤维的长度为100m～500m。需要说明的是，碳纳米纤维的长度不限于上述长度，可以根据实际需要进行设置。

上述碳纳米纤维的制备方法，通过将碳源气体与催化剂于700℃～800℃反应，碳源气体包括乙烯和己烷，乙烯与己烷的气体分压比为3:2～4:1，催化剂选自铁、钴及镍中的至少一种，能够得到具有高分散性的碳纳米管阵列，并且通过紫外光为照射波长为218nm～289nm的单色窄带光进行照射，设置照射功率为20mW～30mW，使得聚合物接枝于碳纳米管阵列上，聚合物选自醛酮树脂及环己酮衍生物中的至少一种，以得到具有较高相容性的改性纳米管阵列，以使改性碳纳米阵列能够更加广泛的应用。经试验验证，采用上述方法制备得到的碳纳米管阵列的Zeta电位为31mV～40mV，具有较高的分散性，且该改性碳纳米阵列与环氧树脂具有较好的相容性，应用范围更加广泛。

再者，上述制备方法中，聚合物由醛酮树脂及环己酮衍生物组成，醛酮树脂及环己酮衍生物的摩尔比为0.8：1～1.13：1，该聚合物接枝于碳纳米管阵列的表面，能够进一步降低由于碳纳米管之间的范德华力所致的团聚，提高改性碳纳米阵列的相容性，保证改性碳纳米阵列的力学性能，得到具有更优力学性能的碳纳米纤维。

最后，上述制备方法，以聚合物为原料制备改性碳纳米阵列，便于操作和反应的控制，并且能够直接将聚合物修饰到碳纳米管阵列的表面，不需要多次修饰和处理，减少反应工序，有利于提高反应效率并降低合成成本，同时，由于上述制备方法中，不需要将碳纳米管阵列分散在溶剂中再进行后续处理，即无需移除溶剂的操作，工艺简化，同时，无溶剂等残留，改性碳纳米阵列的纯度较高。

下面为具体实施例的部分。

如无特别说明，以下实施例不含有除不可避免的杂质以外的其他未明确指出的组分。第一基底为氧化铝板。第二基底为铜片。紫外光为带宽为218nm的单色光。环己酮衍生物的结构式如下：

实施例1

本实施例的碳纳米纤维的制备过程如下：

(1)取一块第一基底，在第一基底上沉积形成20nm厚的催化剂层，催化剂层为镍和钴的混合材料(镍和钴的质量比为0.8:1)，再将第一基底放置于化学气相沉积反应炉并通过氮气，再升温至800℃，再向化学气相沉积反应炉中通入碳源气体(碳源气体由乙烯和己烷组成，乙烯与己烷的气体分压比为3:2)，且碳源气体的流量控制在12L/min下反应25min，使得第一基底表面完全覆盖有碳纳米管阵列，碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列，碳纳米管阵列的长度为800μm，碳纳米管阵列中碳纳米管的直径为15nm。

(2)取一块第二基底，在第二基底上形成厚度为1mm的聚合物薄膜。聚合物为环己酮衍生物。聚合物的重均分子量为10000。

(3)将形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底并排放置于反应腔中，形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底处于同一水平面，且碳纳米管阵列和聚合物薄膜接触，反应腔抽真空至气压降至10^-2Torr后在通入氮气，保持氮气的流速为2L/min，对第一基底及第二基底进行紫外光照射处理，紫外光源距离第一基底及第二基底的距离为2mm，紫外光的照射功率为30mW，紫外光为照射波长为218nm的单色窄带光，照射时间为35min；关闭紫外光组件，将第一基底暴露于氮气氛围下至自然冷却，得到改性碳纳米阵列。

(4)采用夹取工具从改性碳纳米阵列的边缘夹取改性碳纳米阵列，并沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽并旋转，得到碳纳米纤维。从改性碳纳米阵列边缘夹取改性碳纳米阵列时，夹取的宽度为150μm。拖拽的速度为0.5mm/s，转速为3000rpm。

实施例2

本实施例的碳纳米纤维的制备过程如下：

(1)取一块第一基底，在第一基底上沉积形成23nm厚的催化剂层，催化剂层为镍和钴的混合材料(镍和钴的质量比为1.2:1)，再将第一基底放置于化学气相沉积反应炉并通过氮气，再升温至700℃，再向化学气相沉积反应炉中通入碳源气体(碳源气体由乙烯和己烷组成，乙烯与己烷的气体分压比为4:1)，且碳源气体的流量控制在8L/min下反应10min，使得第一基底表面完全覆盖有碳纳米管阵列，碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列，碳纳米管阵列的长度为1000μm，碳纳米管阵列中碳纳米管的直径为10nm。

(2)取一块第二基底，在第二基底上形成厚度为5mm的聚合物薄膜。聚合物为醛酮树脂。聚合物的重均分子量为50000。

(3)将形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底并排放置于反应腔中，形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底处于同一水平面，且碳纳米管阵列和聚合物薄膜接触，反应腔抽真空至气压降至10^-2Torr后在通入氮气，保持氮气的流速为3L/min，对第一基底及第二基底进行紫外光照射处理，紫外光源距离第一基底及第二基底的距离为10mm，紫外光的照射功率为20mW，紫外光为照射波长为289nm的单色窄带光，照射时间为10min；关闭紫外光组件，将第一基底暴露于氮气氛围下至自然冷却，得到改性碳纳米阵列。

(4)采用夹取工具从改性碳纳米阵列的边缘夹取改性碳纳米阵列，并沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽并旋转，得到碳纳米纤维。从改性碳纳米阵列边缘夹取改性碳纳米阵列时，夹取的宽度为50μm。拖拽的速度为0.05mm/s，转速为1000rpm。

实施例3

本实施例的碳纳米纤维的制备过程如下：

(1)取一块第一基底，在第一基底上沉积形成21nm厚的催化剂层，催化剂层为镍和钴的混合材料(镍和钴的质量比为1：1)，再将第一基底放置于化学气相沉积反应炉并通过氮气，再升温至750℃，再向化学气相沉积反应炉中通入碳源气体(碳源气体由乙烯和己烷组成，乙烯与己烷的气体分压比为3:1)且碳源气体的流量控制在10L/min下反应20min，使得第一基底表面完全覆盖有碳纳米管阵列，碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列，碳纳米管阵列的长度为900μm，碳纳米管阵列中碳纳米管的直径为12nm。

(2)取一块第二基底，在第二基底上形成厚度为3mm的聚合物薄膜。聚合物由醛酮树脂及环己酮衍生物组成。醛酮树脂及环己酮衍生物的摩尔比为1:1，醛酮树脂的重均分子量为25100，环己酮衍生物的重均分子量为25500。

(3)将形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底并排放置于反应腔中，形成有碳纳米管阵列的第一基底和形成有聚合物的第二基底处于同一水平面，且碳纳米管阵列和聚合物薄膜接触，反应腔抽真空至气压降至10^-2Torr后在通入氮气，保持氮气的流速为2.5L/min，对第一基底及第二基底进行紫外光照射处理，紫外光源距离第一基底及第二基底的距离为5mm，紫外光的照射功率为25mW，紫外光为照射波长为256nm的单色窄带光，照射时间为20min；关闭紫外光组件，将第一基底暴露于氮气氛围下至自然冷却，得到改性碳纳米阵列。

(4)采用夹取工具从改性碳纳米阵列的边缘夹取改性碳纳米阵列，并沿着垂直于改性碳纳米阵列生长的方向进行拖拽并旋转，得到碳纳米纤维。从改性碳纳米阵列边缘夹取改性碳纳米阵列时，夹取的宽度为100μm。拖拽的速度为0.3mm/s，转速为2000rpm。

实施例4

本实施例的碳纳米纤维的制备过程与实施例3的大致相同，不同之处在于：醛酮树脂及环己酮衍生物的摩尔比为1.13:1。

实施例5

本实施例的碳纳米纤维的制备过程与实施例3的大致相同，不同之处在于：醛酮树脂及环己酮衍生物的摩尔比为0.8:1。

实施例6

本实施例的碳纳米纤维的制备过程与实施例3的大致相同，不同之处在于：聚合物为醛酮树脂，醛酮树脂的重均分子量为25100。

实施例7

本实施例的碳纳米纤维的制备过程与实施例3的大致相同，不同之处在于：聚合物为环己酮衍生物，环己酮衍生物的重均分子量为25500。

实施例8

本实施例的碳纳米纤维的制备过程如下：

(1)在第一基底上设置碳纳米管阵列。碳纳米管阵列购于Cnano公司的型号为Flotube 9110的碳纳米管阵列。

(2)按照实施例3的步骤(2)～(4)制备得到碳纳米纤维。

实施例9

本实施例的碳纳米纤维的制备过程如下：

(1)按照实施例3的步骤(1)制作碳纳米管阵列。

(2)采用夹取工具从碳纳米管阵列的边缘夹取碳纳米管阵列，并沿着垂直于碳纳米管阵列生长的方向进行拖拽并旋转，得到碳纳米纤维。从碳纳米管阵列边缘夹取碳纳米管阵列时，夹取的宽度为100μm。拖拽的速度为0.3mm/s，转速为2000rpm。

实施例10

本实施例的碳纳米纤维的制备过程如下：

(1)采用夹取工具从碳纳米管阵列的边缘夹取碳纳米管阵列，并沿着垂直于碳纳米管阵列生长的方向进行拖拽并旋转，得到碳纳米纤维。从碳纳米管阵列边缘夹取碳纳米管阵列时，夹取的宽度为100μm。拖拽的速度为0.3mm/s，转速为2000rpm。碳纳米管阵列购于Cnano公司的型号为Flotube 9110的碳纳米管阵列。

测试：

测定实施例1～8的改性碳纳米阵列和实施例9～10的碳纳米管阵列的分散性和相容性、实施例1～10的碳纳米纤维的拉伸强度及杨氏模量，测定结果详见表1。表1表示的是实施例1～8的改性碳纳米阵列和实施例9～10的碳纳米管阵列的分散性和相容性、实施例1～10的碳纳米纤维的拉伸强度及杨氏模量。

具体地，采用Zeta电位法测定阵列的Zeta电位，以体现其分散性；

采用玻璃涂布法测定阵列的相容性，具体地，将材料与环氧树脂以质量比为0.5：99.5混合，得到混合液；将混合液涂布于玻璃板上，干燥后，观察干燥后的混合液的状态。当混合液呈透明状态时，材料与的相容性较好，记为A；当混合液呈悬浊液状态时，材料与的相容性一般，记为B；当混合液呈沉淀状态时，材料与的相容性一般，记为C；

采用拉伸测试法测定碳纳米纤维的拉伸强度和杨氏模量。

表1

从表1可以看出，实施例1～5的改性碳纳米阵列的Zeta电位为31mV～40mV，高于实施例9的碳纳米管阵列；且实施例1～5的改性碳纳米阵列与环氧树脂具有较好的相容性，优于实施例9，说明上述实施方式通过对碳纳米管阵列进行改性能够提高碳纳米管阵列的分散性和相容性，以拓宽改性碳纳米阵列的应用范围。同时，实施例1～5得到的碳纳米纤维的拉伸强度为6.3GPa～7.2GPa，杨氏模量为472GPa～527GPa，优于实施例9，说明采用上述改性碳纳米阵列进行纺丝能够得到力学性能更好的碳纳米纤维，以能够用于制备品质更高的布料。

其中，实施例6～7的改性碳纳米阵列的Zeta电位低于实施例3，说明醛酮树脂与环己酮衍生物的协同作用更有利于提高改性碳纳米阵列的分散性和相容性，以得到附着力更高的碳纳米纤维。实施例8的改性碳纳米阵列的Zeta电位低于实施例3说明采用上述实施方式制备的碳纳米管阵列更有利于制备分散性更好的改性碳纳米阵列。

综上，上述制备方法能够制备具有较高分散性的改性碳纳米阵列，且改性碳纳米阵列与环氧树脂具有较好的相容性，应用范围更加广泛，例如可以应用于制备碳纳米管增强环氧树脂复合材料；同时采用该改性碳纳米阵列能够制备具有较优力学性能的碳纳米纤维。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种改性碳纳米阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在第一基底上沉积催化剂层，所述催化剂选自铁、钴及镍中的至少一种；

在第一保护性气体氛围下，将形成有所述催化剂层的所述第一基底升温至700℃～800℃后，通入碳源气体反应，于所述第一基底上形成碳纳米管阵列，所述碳源气体包括乙烯和己烷，所述乙烯与所述己烷的气体分压比为3:2～4:1；及

在第二保护性气体氛围下，对聚合物和形成有所述碳纳米管阵列的所述第一基底进行紫外光照射处理，以使所述聚合物与所述碳纳米管阵列进行接枝反应，得到改性碳纳米阵列，所述聚合物是醛酮树脂和环己酮衍生物，所述环己酮衍生物的结构式如下：

所述n为大于15的整数，所述醛酮树脂及所述环己酮衍生物的摩尔比为0.8:1～1.13:1；所述紫外光为照射波长为218nm～289nm的单色窄带光，照射功率为20mW～30mW；所述聚合物的重均分子量为10000～50000。

2.根据权利要求1所述的改性碳纳米阵列的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管阵列的长度为800μm～1000μm，所述碳纳米管阵列中碳纳米管的直径为10nm～15nm。

3.根据权利要求1所述的改性碳纳米阵列的制备方法，其特征在于，所述催化剂由镍和钴组成，且所述镍和所述钴的质量比为0.8:1～1.2:1。

4.根据权利要求1所述的改性碳纳米阵列的制备方法，其特征在于，在第二保护性气体氛围下，对聚合物和形成有所述碳纳米管阵列的所述第一基底进行紫外光照射处理的步骤具体为：在第二基底上形成所述聚合物；将形成有所述碳纳米管阵列的所述第一基底和形成有所述聚合物的所述第二基底并排设置；在所述第二保护性气体氛围下，对形成有所述碳纳米管阵列的所述第一基底和形成有所述聚合物的所述第二基底进行紫外光照射处理。

5.根据权利要求1所述的改性碳纳米阵列的制备方法，其特征在于，所述聚合物的重均分子量为15000～35000。

6.根据权利要求1所述的改性碳纳米阵列的制备方法，其特征在于，所述醛酮树脂及所述环己酮衍生物的摩尔比为1:1。

7.一种改性碳纳米阵列，其特征在于，由权利要求1～6任一项所述的改性碳纳米阵列的制备方法制备得到。

8.一种碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，将权利要求7所述的改性碳纳米阵列进行纺丝，得到碳纳米纤维。

9.一种碳纳米纤维，其特征在于，由权利要求8所述的碳纳米纤维的制备方法制备得到。

10.权利要求9所述的碳纳米纤维在制备布料中的应用。