[發(fā)明專利]一步法在連續(xù)碳纖維表面生長納米碳管

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410829210.1
• 申請(qǐng)日: 2014-12-26
• 公開（公告）號(hào): CN105780452A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬兆昆;曹瑞雄;宋懷河
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)常州先進(jìn)材料研究院
• 主分類號(hào): D06M11/74
• 分類號(hào): D06M11/74;D06M11/65;D06M13/51;D06M15/356;D06M15/55;C01B31/02;D06M101/40
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明專利涉及一種在連續(xù)碳纖維表面生長納米碳管，尤其利用催化劑上漿液一步法在 碳纖維表面連續(xù)生長納米碳管。

背景技術(shù)

碳纖維依靠其高強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是復(fù)合材料優(yōu)良的增強(qiáng)體。碳纖維作為優(yōu)秀 的復(fù)合材料增強(qiáng)體也存在一定的不足。主要為上漿后的碳纖維與復(fù)合材料之間的浸潤性能差， 造成復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)和面間剪切強(qiáng)度(IFSS)偏低，無法滿足對(duì)高性能復(fù) 合材料的要求。為提高碳纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)用于復(fù)合材料制備的碳纖維要進(jìn)行表 面修飾，包括碳纖維表面刻蝕提高表面粗糙度，碳纖維表面化學(xué)接枝官能團(tuán)提高纖維與基體 的化學(xué)結(jié)合，以及碳纖維表面復(fù)合納米碳管等增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

納米碳管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多優(yōu)異的力學(xué)、電 學(xué)和化學(xué)性能。由于碳納米管中碳原子采取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成 分比較大，使碳納米管具有高模量和高強(qiáng)度。將碳纖維與納米碳管進(jìn)行復(fù)合，可以等到高性 能的纖維增強(qiáng)材料。實(shí)現(xiàn)碳纖維與納米碳管復(fù)合的方法主要有化學(xué)結(jié)合與物理結(jié)合。物理結(jié) 合是將改性后的納米碳管與碳纖維利用上漿劑結(jié)合在一起(CN104131459A)。由于鍵合作用 不同，化學(xué)結(jié)合得到碳纖維增強(qiáng)材料性能更佳。化學(xué)結(jié)合主要利用化學(xué)氣相沉積的方法實(shí)現(xiàn) 納米碳管在碳纖維表面的生長。為實(shí)現(xiàn)納米碳管在碳纖維表面生長，通常需要對(duì)碳纖維表面 進(jìn)行除槳，但是除槳后的碳纖維的強(qiáng)度會(huì)明顯降低。

依據(jù)催化劑的負(fù)載方式的不同，主要方法有固相法和浮游法。

固相法是將碳纖維在催化劑溶液中浸泡后，干燥使得催化劑顆粒負(fù)載與碳纖維表面，通 過化學(xué)氣相沉積在碳纖維表面得到納米碳管。隨著干燥、溫度升高催化劑前驅(qū)體在纖維表面 容易團(tuán)聚析出，此時(shí)催化劑顆粒超過納米級(jí)，難以生長納米碳管，此時(shí)產(chǎn)物為炭黑。減少催 化劑的團(tuán)聚，增加催化劑的有效分布是提高納米碳管生長率的有效途徑。

浮游法是將催化劑加熱升華為氣態(tài)，浮游于碳纖維表面，最終沉積并催化反應(yīng)，得到納 米碳管。成會(huì)明等(成會(huì)明.納米碳管制備、結(jié)構(gòu)、物性及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社)指出 氣態(tài)催化劑難以在空間中均勻分布，使得納米碳管在碳纖維表面生長不均勻。同時(shí)，催化劑 在碳纖維表面有效負(fù)載率低，造成催化劑的浪費(fèi)，而且會(huì)有多余的炭黑等雜質(zhì)在反應(yīng)容器中 產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是利用催化劑上漿液在碳纖維表面負(fù)載納米碳管生長的催化劑，便于催化 劑均勻分布，防止催化劑在干燥過程中以大顆粒的形式析出。同時(shí)，該方法可以在碳纖維表 面連續(xù)生長納米碳管。

本發(fā)明的核心內(nèi)容是含催化劑的上漿液的制備。本發(fā)明在提出一種碳纖維表面生長納米 碳管的同時(shí)，提出一種可以有效、均勻分布納米碳管生長所需催化劑的碳纖維上漿劑。本發(fā) 明采用沒有上漿處理的碳纖維作為原料，所述方法包括以下幾個(gè)步驟：

1.制備合適的包含上催化上漿劑溶液，包括催化劑(二茂鐵，硝酸鎳等)，溶劑(二甲 苯，丙酮)，分散劑(聚乙烯吡咯烷酮，γ-丙基三甲氧基硅烷等)以及環(huán)氧樹脂等。

2.對(duì)纖維進(jìn)行上漿處理。采用自制上漿槽，對(duì)纖維表面上漿處理。

3.對(duì)水溶性上漿劑采用干燥處理(有機(jī)溶劑處理的纖維可直接進(jìn)行納米碳管的生長)。

4.纖維表面進(jìn)行納米碳管的生長。通入氮?dú)猓瑲錃夂鸵胰矚怏w，700℃～850℃進(jìn)行熱處 理。

過渡族的催化劑會(huì)與纖維表面的碳元素發(fā)生反應(yīng)，生成金屬碳化物，降低纖維的強(qiáng)度。 本發(fā)明采用的催化劑上漿劑可以減少催化劑與纖維表面的反應(yīng)，保證纖維的強(qiáng)度。

本發(fā)明的特點(diǎn)：

1.與浮游法在碳纖維表面生長納米碳管相比，本發(fā)明可以保證催化劑的均勻分布，提高 納米碳管與碳纖維的結(jié)合強(qiáng)度。

2.傳統(tǒng)的催化劑固相負(fù)載方式為催化劑溶液浸泡、干燥、化學(xué)氣相沉積。由于浸泡于干 燥時(shí)間都非常長，不便于碳纖維的連續(xù)處理。并且，傳統(tǒng)的固相負(fù)載方式，催化劑會(huì) 在纖維表面以大顆粒的形式析出，使得催化劑失效，不易于納米碳管的形成。本發(fā)明 實(shí)現(xiàn)催化劑在碳纖維表面高效負(fù)載，便于連續(xù)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工藝路線圖。

圖2為碳纖維表面生長納米碳管后的掃描電子圖像。

具體實(shí)施方式