CN1995503A - 一种制备螺旋形纳米碳纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺旋形纳米碳纤维，具体地说是螺旋形纳米碳纤维的制备方法。本发明公开了一种制备螺旋形纳米碳纤维的方法。本发明采用乙炔为碳源、氢气为载气、氮气或氩气为稀释气体、镍板为催化剂、PCl₃为助催化剂，通过化学气相沉积法，在较低温度下制备出螺旋形纳米碳纤维。本发明的方法和工艺简单，容易控制，价格低廉，产量及纯度高，便于工业化生产，制备的螺旋形纳米碳纤维，在结构增强、吸波材料、电磁屏蔽材料、微电子器件等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种制备螺旋形纳米碳纤维的方法

技术领域

本发明涉及螺旋形纳米碳纤维，具体地说是一种制备螺旋形纳米碳纤维的方法。

背景技术

螺旋形碳纤维是一种功能型碳纤维，可以通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃的气相催化热解生长而制得，具有一般碳纤维的耐热性、化学稳定性、电热传导性、热膨胀性低、耐摩擦、磨损低、密度低、生体亲和性好等优异性能，而其特殊的螺旋形态则赋予了材料典型的手征特性、良好的弹性、与基体的良好结合性，有望作为新型的电磁波吸收剂、微敏感能量吸收剂、隐身材料、微弹簧等微机械元件等，在结构增强、吸波材料、电磁屏蔽材料、微电子器件等领域具有广阔的应用前景。

目前关于螺旋形碳纤维的制备国内外报道的有化学气相沉积法和沥青熔融纺丝法两种，螺旋形纳米碳纤维的制备一般采用化学气相沉积法(CVD)，以低碳烃化合物为碳源，纳米Fe、Cr、Ni、Cu及其纳米合金粒子为催化剂，制备螺旋形纳米碳纤维，上述纳米催化剂的制备工艺非常复杂，而且粒径难于控制，一般通过把Fe、Cr、Ni、Cu等金属的盐溶液吸附在超细二氧化硅等粒子的表面，再通过氢气还原制备出附着于超细二氧化硅等粒子表面的纳米金属催化剂，这些超细二氧化硅粒子会混杂在螺旋形纳米碳纤维当中，很难清除干净。一般认为碳纤维和纳米碳管的内径与催化剂颗粒直径相等，人们总是想办法得到粒径较小的催化剂，而小直径催化剂的制备难度大、价格昂贵，其应用受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的是公开一种工艺简单、产量高、低成本制备螺旋形纳米碳纤维的新方法，以满足有关领域发展的需要。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：采用乙炔为碳源、氢气为载气、氮气或氩气为稀释气体、镍板为催化剂、PCl₃为助催化剂，通过化学气相沉积法，在550℃～700℃温度下反应，优选650℃～700℃，制备出螺旋形纳米碳纤维；其中：稀释气体氮气或氩气与乙炔流量之比为2～5∶1，氢气与乙炔流量之比为3～5∶1，PCl₃助催化剂的流量为0.02～0.05ml/min，螺旋形纳米碳纤维的纤维直径、螺旋的螺距和螺旋的直径主要通过调节流量、温度等工艺参数得到控制。

所述及的镍板催化剂的厚度为0.1～2mm，是商业镍板，无需繁琐制备，镍板催化剂在反应前要进行表面处理，对镍板表面进行高速喷砂处理30分钟，然后在稀盐酸或稀硫酸中浸泡5～10小时，干燥后使用；

所述及的镍板催化剂可以重复使用，上次反应剩余的镍板催化剂经砂纸打磨，在稀盐酸或硫酸中浸泡5～10小时，干燥后重复使用；

所述及的镍板催化剂水平或垂直放置在水平的石墨板上面，垂直于石墨板放置时，镍板催化剂的两侧都有螺旋形纳米碳纤维生长，产率较水平放置提高一倍。

与传统的化学气相沉积法制备螺旋形纳米碳纤维对催化剂要求高、且工艺复杂、成本较高相比，本发明具有如下有益效果，本发明提供的方法简单易操作，产品纯度高，单位产量高，利于大批量生成。在结构增强、吸波材料、电磁屏蔽材料、微电子器件等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备的螺旋形纳米碳纤维的扫描电镜照片。

图2为实施例2制备的螺旋形纳米碳纤维的扫描电镜照片。

图3为实施例3制备的螺旋形纳米碳纤维的扫描电镜照片。

图4为实施例4制备的螺旋形纳米碳纤维的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1

反应前将厚度为1mm、长宽分别为150mm和30mm的镍板催化剂进行表面处理，对镍板表面进行高速喷砂处理30分钟，然后在稀盐酸中浸泡5小时，干燥后放在管式炉的恒温区，镍板催化剂水平放置在石墨板上；对反应***抽真空，用氮气置换三次，通入氮气，氮气的流量为200ml/min，在氮气气氛下升温到650℃，通入乙炔的同时以氢气为载气加入PCl₃助催化剂，PCl₃助催化剂的流量为0.03ml/min，稀释气体氮气与乙炔流量之比为2.5∶1(其中：乙炔为40ml/min，氮气为100ml/min)，氢气与乙炔流量之比为3∶1(其中：乙炔为40ml/min，氢气为120ml/min)，反应恒温时间为35min，进行催化热解反应；反应结束后在氮气气氛下自然冷却到室温，可获得1.7361g的螺旋形纳米碳纤维(参见图1)。

实施例2

反应前将厚度为1.5mm、长宽分别为150mm和30mm的镍板催化剂进行表面处理，对镍板表面进行高速喷砂处理30分钟，然后在稀硫酸中浸泡8小时，干燥后放在管式炉的恒温区，镍板催化剂垂直放置在水平的石墨板上；对反应***抽真空，用氩气置换三次，通入氩气，氩气的流量为200ml/min，在氩气气氛下升温到670℃，通入乙炔的同时以氢气为载气加入PCl₃助催化剂，PCl₃助催化剂的流量为0.04ml/min，稀释气体氩气与乙炔流量之比为2∶1(其中：乙炔为50ml/min，氩气为100ml/min)，氢气与乙炔流量之比为3.5∶1(其中：乙炔为50ml/min，氢气为175ml/min)，反应恒温时间为40min，进行催化热解反应，反应结束后在氩气气氛下自然冷却到室温，可获得3.5371g的螺旋形纳米碳纤维(参见图2)。

实施例3

反应前将厚度为0.5mm、长宽分别为150mm和30mm的镍板催化剂进行表面处理，对镍板表面进行高速喷砂处理30分钟，然后在稀盐酸中浸泡5小时，干燥后放在管式炉的恒温区，镍板催化剂水平放置在石墨板上；对反应***抽真空，用氮气置换三次，通入氮气，氮气的流量为200ml/min，在氮气气氛下升温到680℃，通入乙炔的同时以氢气为载气加入PCl₃助催化剂，PCl₃助催化剂的流量为0.05ml/min，稀释气体氮气与乙炔流量之比为3∶1(其中：乙炔为45ml/min，氮气为135ml/min)，氢气与乙炔流量之比为4∶1(其中：乙炔为45ml/min，氢气为180ml/min)，反应恒温时间为60min，进行催化热解反应，反应结束后在氮气气氛下自然冷却到室温，可获得2.1845g的螺旋形纳米碳纤维(参见图3)。

实施例4

反应前将厚度为2mm、长宽分别为150mm和30mm的镍板催化剂进行表面处理，对镍板表面进行高速喷砂处理30分钟，然后在稀硫酸中浸泡10小时，干燥后放在管式炉的恒温区，镍板催化剂垂直放置在水平的石墨板上；对反应***抽真空，用氩气置换三次，通入氩气，氩气的流量为200ml/min，在氩气气氛下升温到700℃，通入乙炔的同时以氢气为载气加入PCl₃助催化剂，PCl₃助催化剂的流量为0.04ml/min，稀释气体氩气与乙炔流量之比为3∶1(其中：乙炔为50ml/min，氩气为150ml/min)，氢气与乙炔流量之比为3∶1(其中：乙炔为50ml/min，氢气为150ml/min)，反应恒温时间为60min，进行催化热解反应，反应结束后在氩气气氛下自然冷却到室温，可获得3.9531g的螺旋形纳米碳纤维(参见图4)。

Claims (8)

1.一种制备螺旋形纳米碳纤维的方法，其特征在于：采用乙炔为碳源、氢气为载气、氮气或氩气为稀释气体、镍板为催化剂、PCl₃为助催化剂，通过化学气相沉积法，在较低温度下制备出螺旋形纳米碳纤维。

2.如权利要求1所述制备螺旋形纳米碳纤维的方法，其特征在于：所述反应温度为550℃-700℃。

3.如权利要求1所述制备螺旋形纳米碳纤维的方法，其特征在于：所述稀释气体氮气或氩气与乙炔流量之比为2～5∶1。

4.如权利要求1所述制备螺旋形纳米碳纤维的方法，其特征在于：所述氢气与乙炔流量之比为3～5∶1。

5.如权利要求1所述制备螺旋形纳米碳纤维的方法，其特征在于：所述PCl₃助催化剂的流量为0.02～0.05ml/min。

6.如权利要求1所述制备螺旋形纳米碳纤维的方法，其特征在于：所述催化剂镍板的厚度为0.1～2mm，镍板催化剂在反应前要进行表面纳米化处理，对镍板表面进行高速喷砂处理30分钟，然后在稀盐酸或稀硫酸中浸泡5～10小时，干燥后使用。

7.如权利要求1所述制备螺旋形纳米碳纤维的方法，其特征在于：所述镍板催化剂可以重复使用，上次反应剩余的镍板催化剂经砂纸打磨，在稀盐酸或稀硫酸中浸泡5～10小时，干燥后重复使用。

8.如权利要求1所述制备螺旋形纳米碳纤维的方法，其特征在于：所述镍板催化剂水平或垂直放置在石墨板上面。

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