[發明專利]制備表面生長有碳納米管的連續碳纖維的裝置和方法

有效

• 申請號: 201610374008.3
• 申請日: 2016-05-31
• 公開（公告）號: CN105908491B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 姜再興;董繼東;賀金梅;黃玉東;賈儲源;張廣玉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74;D06M101/40
• 代理公司: 哈爾濱市文洋專利代理事務所(普通合伙)23210
• 代理人: 王艷萍

技術領域

本發明屬于碳纖維界面改性的裝置和方法。

背景技術

碳纖維作為一種高性能纖維，具有高比強度、高比模量、耐疲勞、抗蠕變、熱膨脹系數小及摩擦系數低等一系列優異性能，使其成為近年來最重要的增強材料之一，并在許多領域得到廣泛應用。但由于碳纖維表面為石墨亂層結構，表面惰性大、表面能低、活性官能團少，使其與基體的粘結界面中存在較多缺陷，界面粘結強度低，復合材料的層間剪切強度低。為了提高碳纖維的界面強度，利用化學氣相沉積法在短纖維表面制備碳納米管，其主要過程為：將含有催化劑材料的反應爐加熱到一定溫度后，通入碳源，通過催化劑顆粒引發分解碳源從而得到碳納米管。該法僅適合在短纖維表面構筑碳納米管，受化學氣相沉設備的限制，無法得到表面具有碳納米的連續碳纖維。

發明內容

本發明是要解決現有的在碳纖維表面制備碳納米管的方法無法得到連續的改性碳纖維的技術問題，而提供制備表面生長有碳納米管的連續碳纖維的裝置和方法。

本發明的制備表面生長有碳納米管的連續碳纖維的裝置，包括石英管、首端密封塞、尾端密封塞、前牽伸輥、后牽伸輥、微量注射泵、氫氣發生器、氬氣瓶、混氣裝置、尾氣處理裝置、排氣管、加熱套和密封倉；首端密封塞和尾端密封塞上均設置有過絲孔，石英管的兩端分別用首端密封塞和尾端密封塞塞住，石英管的尾部處于尾氣處理裝置內，石英管、多個前牽伸輥、多個后牽伸輥與尾氣處理裝置均設置在密封倉內，前牽伸輥位于首端密封塞之前、后牽伸輥位于尾端密封塞之后，微量注射泵通過首端密封塞與石英管相連，混氣裝置與石英管首端相連；尾氣處理裝置通過排氣管與密封倉外相連通；在密封倉(13)外石英管所在區域設置加熱套，氫氣發生器和氬氣瓶分別與混氣裝置相聯通。

利用上述的裝置制備表面生長有碳納米管的連續碳纖維的方法，按以下步驟進行：

一、將碳纖維絲束穿過前牽伸輥、石英管和后牽伸輥并張緊；

二、將氬氣瓶的氬氣通入石英管中，將石英管中的空氣排凈；

三、在有氬氣流入石英管的條件下，打開加熱套，使石英管內的溫度升至700～900℃；

四、打開氫氣發生器，將氫氣以75～150sccm的流量通入混氣裝置，同時氬氣以675～1000sccm的通入混氣裝置，混合后的混合氣體通入石英管；

五、將二茂鐵溶解到溶劑中，配制成濃度為10～25g/L的溶液，再將該溶液通過微量注射泵以5～25ml/h的速度注射入石英管1中并分散在混合氣體中，同時轉動前牽伸輥和后牽伸輥，使碳纖維以1～3cm/min的速度通過石英管；從尾端密封塞的過絲孔中排出的混合氣體進入尾氣處理裝置處理后，經排氣管排出；其中溶劑為甲苯、乙醇或它們的組合；

六、待碳纖維絲束全部處理完后，關閉氫氣發生器，在氬氣流量為200～400sccm的保護條件下冷卻至室溫，關閉氬氣瓶，取出碳纖維，得到在連續碳纖維表面上制備的連續碳納米管。

本發明首次采用改進的化學氣相沉積設備，使得在碳纖維表面連續生長碳納米管成為現實，達到了連續化生產的目的，成本低，轉化效率更高，可在連續碳纖維表面構筑連續可控碳納米管，保持了纖維的連續性，生長碳納米管的碳纖維比未改性的碳纖維在復合材料中的界面剪切強度提高30％以上。

附圖說明

圖1是本發明的在連續碳纖維表面上制備連續碳納米管的裝置示意圖；圖中為石英管，2為首端密封塞、3為尾端密封塞，4為前牽伸輥，5為后牽伸輥，6為微量注射泵，7為氫氣發生器，8為氬氣瓶，9為混氣裝置，10為尾氣處理裝置，11為排氣管，12為加熱套，13為密封倉，14為氣體過濾器，15為單向閥。

圖2是實施例一在連續碳纖維表面上制備的連續碳納米管的掃描電鏡照片；

圖3是是實施例二在連續碳纖維表面上制備的連續碳納米管的掃描電鏡照片。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式的制備表面生長有碳納米管的連續碳纖維的裝置，