[發明專利]一種在石英纖維表面合成碳納米管陣列的方法

無效

• 申請號: 201110219201.7
• 申請日: 2011-08-02
• 公開（公告）號: CN102433732A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 李春忠;張玲;金磊
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74;D06M11/83;C01B31/02;B82Y40/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 胡紅芳

技術領域

本發明是屬于化工領域的一種制備方法，主要用于在石英纖維表面制備合成碳納米管陣列。

背景技術

纖維增強復合材料廣泛應用于航空和風力發電行業中。不同的纖維結構被用來增強聚合物基體，如一維、二維結構能增強復合材料面內強度但層間剪切強度較弱。為了改善層間剪切強度，人們提出將碳納米管和纖維復合起來增強聚合物，制備這種復合增強體的方法有簡單混合、電泳或物理沉積、原位生長等。采用化學氣相沉積法（CVD）在纖維表面原位生長碳納米管，如Zhang等人（Zhang?Q,?Liu?J,?Sager?R,?Dai?L,?Baur?J.?Hierarchical?composites?of?carbon?nanotubes?on?carbon?fiber?:?influence?of?growth?condition?on?fiber?tensile?properties.?Compos?Sci?Technol?2009;69:594-601.）采用CVD法在碳纖維表面生長出碳納米管，可望在纖維表面形成致密而長的碳納米管，致使平行纖維布之間相互纏結，從而有利于提高纖維層間的剪切強度。

目前，采用CVD法制備纖維-碳納米管三維結構增強體的纖維主要集中在碳纖維上，由于CVD過程的高溫及催化劑對碳纖維的浸潤擴散會導致碳纖維的性能下降。本發明以耐高溫的石英纖維布為基板，在保證纖維性能不下降的情況下在其表面原位生長碳納米管陣列，不但有望提高纖維布間的相互作用，而且賦予了絕緣纖維新的功能——導電和導熱。

發明內容

本發明的目的之一，是提供一種在石英纖維表面原位生長碳納米管陣列的方法，以克服現有技術所存在的上述缺陷。

本發明的構思是這樣的：

碳納米管陣列的制備方法通常都是在基板上電子束蒸發或者磁控濺射上一層幾納米的金屬催化劑層，通過合適的碳源氣、氫氣、惰性氣體之比以及嚴格的反應條件所生成制得。為了解決以上問題，通過浸漬方法使得纖維表面有一均勻的催化劑顆粒層，一方面解決了磁控濺射金屬催化劑層的困難性，另一方面也降低了實際生產的成本。進一步通過放置合適位置與合適的放置方式，最終制備得到碳納米管陣列。

一種在石英纖維表面合成碳納米管陣列的方法，包括如下步驟：首先，將金屬鹽催化劑與溶劑混合均勻，再放入石英纖維浸漬4～6h，在所述石英纖維表面形成催化劑層；然后，將表面形成催化劑層的石英纖維放入反應器中，通入惰性氣體，利用化學氣相沉積使所述催化劑層形成均勻的納米級金屬催化劑顆粒，由所述納米級金屬催化劑顆粒引發分解碳源生成碳納米管，反應溫度500～700℃，最終碳納米管垂直生長在每根石英纖維上形成碳納米管陣列，尾氣經吸收排空。

當反應時間達到設定值時，關閉碳源，用惰性氣體對反應器（管式爐）進行降溫，當溫度降至室溫時，取出已經生長了碳納米管的石英纖維布。所制得的碳納米管管徑均勻，形狀規則。

?所述金屬鹽催化劑為硝酸鈷、硝酸鎳、硝酸鐵、硫酸鎳中的任一種，其溶液濃度為0.1～0.5mol/L。

所述溶劑為去離子水、無水乙醇、異丙醇中的任一種。

所述惰性氣體與所述碳源的體積比為20：0.5～1.5。

所述反應時間為5～60min。

所述碳源為乙炔、乙烯、甲烷中的任一種。

所述惰性氣體為氮氣、氦氣、氬氣中的任一種。

所述碳納米管陣列的長度為100nm～1μm，管徑15～60nm，分布均勻。

本發明的有益效果：本發明以耐高溫的石英纖維布為基板，在保證纖維性能不下降的情況下在其表面原位生長碳納米管陣列，不但有望提高纖維布間的相互作用，而且賦予了絕緣纖維新的功能——導電和導熱。

附圖說明

圖1是本發明所述管式爐的結構示意圖；

圖2是實施例1產物的碳納米管陣列生長于纖維表面的電鏡照片；

圖3是實施例1產物的碳納米管的透射電鏡照片；

圖4是實施例2產物的電鏡照片；

圖5是實施例3產物的電鏡照片；

圖6是實施例4產物的電鏡照片。

符號說明

????1?氬氣；2?乙炔；3剛玉管；4?方舟；5?溫度控制器；6?尾氣處理。?

具體實施方式