[發明專利]一種用催化劑制備螺旋狀碳纖維的方法

無效

• 申請號: 200810102236.0
• 申請日: 2008-03-19
• 公開（公告）號: CN101245502A
• 公開（公告）日: 2008-08-20
• 發明（設計）人: 李峰;張璐;項頊;鄒魯
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01F9/127
• 分類號: D01F9/127;B01J21/16
• 代理公司: 北京華誼知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉月娥

技術領域

本發明屬于碳纖維制備技術領域，特別涉及一種用催化劑制備螺旋狀碳纖維的方法。

背景技術

螺旋狀碳纖維特殊的結構特征使其具有良好的彈性、強的機械性和耐沖擊性等功能，在儲氫、吸附、微波吸收、電學等方面有著廣泛的潛在應用，是一種性能優越的新型無機功能材料。其中螺旋碳纖維、手性螺旋碳纖維和雙螺旋碳纖維為典型的螺旋狀碳纖維，它們在尺寸形貌、結構、性能等方面都存在一定的差異。

螺旋狀碳纖維最為普遍的制備方法是催化化學氣相沉積法即CCVD法。CCVD法具有設備簡單、成本低和反應過程容易控制等優點。在CCVD中所使用的催化劑的活性組分通常為過渡金屬Ni、Fe、Cu，或其合金(S.Yang，X.Chen，M.Kusunoki，K.Yamamoto，H.Iwanaga，Carbon?43，2005，916-922；Yong?Qin，Xin?Jiang.J.Phys.Chem.B?109，2005，21749-21754；Yongkui?Wen，Zengmin?Shen.Carbon?39，2001，2369-2386)，不同活性組分和結構的催化劑會影響生長的螺旋狀碳纖維的形貌、結構、產率以及性能。因此，人們不斷地積極探索螺旋碳纖維簡易的制備方法以及所使用催化劑的各種制備方法對其結構與組成的影響，從而進行碳纖維材料的可控生長，以期獲得高質量、性能優異的螺旋狀碳纖維。

目前CCVD法制備螺旋狀碳纖維大多采用金屬合金或納米金屬顆粒作為催化劑，但由于存在催化劑制備成本高，金屬顆粒分散度和粒徑大小控制難度大等缺點，導致生長出的碳纖維粗細分布不均，嚴重影響了螺旋狀碳纖維形貌的均勻性和產率。而且，在CCVD中通常需要同時引入硫化物或者磷化物作為輔助催化劑以改善碳纖維的生長，這不但增加了制備成本，而且還造成了環境危害，不利于螺旋狀碳纖維的大規模生產。

發明內容

本發明在于提供一種用催化劑制備螺旋狀碳纖維的方法，克服傳統碳纖維制備成本高以及所使用傳統催化劑的金屬顆粒分散度和粒徑大小難以控制的缺點。

制備螺旋狀碳纖維的方法是直接使用水滑石作為催化劑，不用通入氫氣和有毒物質，利用在反應過程中引入的乙炔分解所產生的氫原位還原水滑石的焙燒分解產物，同時原位吸附裂解中所產生的碳，直接進行碳纖維材料的生長。此過程是催化劑分解后、還原、催化、吸附同步進行，操作簡便，無污染，產率較高。

層狀雙金屬氫氧化物(Layered?Double?Hydroxides，簡稱LDHs)是一類具有層狀結構的陰離子型粘土。水滑石的化學組成具有如下通式：[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O，其中M²⁺和M³⁺分別為二價和三價金屬陽離子，位于主體層板上；A^n-為層間陰離子；X為M³⁺/(M²⁺+M³⁺)的摩爾比值；m為層間水分子的摩爾量。本發明結合水滑石層板組成和結構微觀可調變的特點，通過設計可以向其層板引入Ni、Cu活性或助活性物種，通過尿素水熱均勻沉淀法制備得到層板含一定組成的特定水滑石，并作為催化劑進行螺旋狀碳纖維的生長。由于水滑石中活性物種在分子水平上高度分散和均勻分布，不但提高了催化劑的反應活性，而且可以通過控制水滑石中不同比例的金屬組分來實現對螺旋狀碳纖維生長的控制。

一種用催化劑制備螺旋碳纖維的方法：

將30～50mg水滑石催化劑平鋪于瓷舟中，然后放入位于管式加熱爐中的水平石英管，通入流速為60～70ml/min的氮氣，以2～10℃/min的速率升溫至500～700℃后保溫20～60min，然后在此溫度下通入流速為6～10ml/min的乙炔氣體進行碳纖維的生長，反應1～2h，最后隨爐冷卻至室溫得到螺旋狀碳纖維。