專利名稱：一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法。
背景技術(shù)：
氣相生長炭纖維自被發(fā)現(xiàn)以來，其生長機(jī)理、制備方法、形貌、性質(zhì)及應(yīng)用一直吸引著人們的普遍關(guān)注。最初發(fā)現(xiàn)氣相生長炭纖維是由石磨層面沿纖維軸向堆積排列而成的一種一維結(jié)構(gòu)(Gary G.Tibbetts.Journallf Crystal Growth 66(1984)，632)，隨后相繼發(fā)現(xiàn)了螺旋狀、二維樹狀、竹節(jié)狀、魚骨狀等不同結(jié)構(gòu)的氣相生長炭纖維。氣相生長炭纖維的優(yōu)良性能主要表現(xiàn)在高強(qiáng)度、高模量、低密度、高導(dǎo)電、導(dǎo)熱等方面；不同形貌炭纖維的特殊結(jié)構(gòu)決定了它們除了具有一般炭纖維的優(yōu)良性能外，還具有獨(dú)特性能，如螺旋狀炭纖維具有高彈性模量和獨(dú)特的吸波性能(吳法宇，杜金紅，等，螺旋狀炭纖維的微觀結(jié)構(gòu)與儲能特性，新型炭材料，2004，19(2)81-86)，二維樹狀炭纖維可望用于高性能增強(qiáng)復(fù)合材料(朱春野，謝自立，等，二維樹狀分叉炭纖維的浮動催化法制備，第六屆全國新型炭材料學(xué)術(shù)研討會論文集，2003，84-87)，竹節(jié)狀炭纖維在氣體吸附方面有潛在價(jià)值(楊杭生，盧筱楠，一種節(jié)狀納米碳纖維的CVD生長，化學(xué)物理學(xué)報(bào)2000，13(3)324-328)。目前廣泛應(yīng)用于氣相生長炭纖維的方法主要是化學(xué)氣相沉積法(CVD)，即一定溫度時(shí)在鐵、鈷、鎳及其合金等金屬催化劑存在下烴類進(jìn)行催化熱解反應(yīng)，催化劑表面即可沉積得到氣相生長炭纖維。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種獲得高純度毛線狀氣相生長碳纖維的制備方法，可實(shí)現(xiàn)毛線狀氣相生長炭纖維的可控制備。
本發(fā)明提供的制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法，其特征是以甲烷為碳源，氫氣為稀釋氣，鐵或鈷化合物為催化劑，采用化學(xué)氣相沉積法；將催化劑負(fù)載在石墨基板上，置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，在氫氣氣氛中升溫，控制反應(yīng)溫度在1000-1200℃，然后導(dǎo)入甲烷并恒溫0.5-3.0小時(shí)，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1-1∶2，反應(yīng)完成后得毛線狀氣相生長炭纖維。
如上所述催化劑鐵化合物為硫酸亞鐵、硝酸鐵、氯化鐵、二茂鐵等。
如上所述催化劑鐵鈷化合物是硝酸鈷、硫酸鈷、草酸鈷、乙酸鈷等。
如上所述催化劑負(fù)載到石墨基板的方式為首先將鐵或鈷化合物配制為0.2-1.0mol/L的水或乙醇溶液，將石磨基板浸漬其中，1-3小時(shí)后取出，室溫自然干燥8-12小時(shí)，100-300℃繼續(xù)干燥0.5-2.0小時(shí)即得均勻分布了催化劑的石墨基板。
所述石墨基板為商業(yè)石墨塊。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、提供了一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法。
2、制備方法簡單易操作，產(chǎn)物纖維均勻，純度高，單位產(chǎn)量高。
3、實(shí)現(xiàn)了毛線狀氣相生長炭纖維制備的可控性。


圖1、圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制得的毛線狀氣相生長炭纖維的SEM照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1稱取2.96g硫酸亞鐵溶入20ml去離子水中配制得0.5mol/L的溶液，將一表面積為4680mm2的石墨基板(30*60*6mm)浸漬其中，1小時(shí)后取出室溫干燥12小時(shí)，300℃繼續(xù)干燥0.5小時(shí)，得到均勻分布了催化劑的基板，基板增重0.1510g，計(jì)算其中單質(zhì)鐵質(zhì)量為0.0504g。將負(fù)載了催化劑的石墨基板置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1050℃時(shí)導(dǎo)入甲烷并恒溫1.0小時(shí)，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1，反應(yīng)完成后冷卻收集產(chǎn)物，質(zhì)量0.8093g，是催化劑單質(zhì)鐵質(zhì)量的16.20倍，產(chǎn)物宏觀形態(tài)為絮狀。掃描電鏡觀察產(chǎn)物形貌，產(chǎn)物為直徑約3-4μm的貌似毛線的纖維(見圖1)，純度達(dá)96％，每一纖維由無數(shù)更細(xì)的纖維分叉或合并組成(見圖2)。由透射電鏡圖得知纖維石磨層面與纖維軸向成一定角度，即此纖維為毛線狀氣相生長炭纖維。
實(shí)施例2稱取3.72g二茂鐵溶入20ml乙醇中得1.0mol/L的溶液，將一表面積為4680mm2石墨基板浸漬其中，3小時(shí)后取出室溫自然干燥8小時(shí)，100℃繼續(xù)干燥1.0小時(shí)，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.2168g，計(jì)算其中單質(zhì)鐵質(zhì)量為0.0517g。將此石墨基板置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1000℃時(shí)導(dǎo)入甲烷并恒溫0.5小時(shí)，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶2，反應(yīng)完成后冷卻絮狀產(chǎn)物，質(zhì)量1.1281g，是催化劑單質(zhì)鐵質(zhì)量的21.83倍。掃描電鏡觀察產(chǎn)物形貌，為毛線狀纖維，純度達(dá)90％。
實(shí)施例3將一表面積為4680mm2石墨基板浸漬于20ml的0.7mol/L硝酸鐵水溶液中，2小時(shí)后取出室溫干燥12小時(shí)，200℃繼續(xù)干燥1.0小時(shí)，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.1743g，計(jì)算其中單質(zhì)鐵質(zhì)量為0.0401g。將此石墨基板置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1200℃時(shí)導(dǎo)入甲烷并恒溫3.0小時(shí)，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1.5，反應(yīng)完成后冷卻絮狀產(chǎn)物，質(zhì)量1.4532g，是催化劑單質(zhì)鐵質(zhì)量的36.24倍。掃描電鏡觀察產(chǎn)物形貌，為毛線狀纖維，純度達(dá)92％。
實(shí)施例4將一表面積為4680mm2石墨基板浸漬于20ml的0.2mol/L氯化鐵水溶液中，2小時(shí)后取出室溫干燥12小時(shí)，180℃繼續(xù)干燥2.0小時(shí)，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.1040g，計(jì)算其中單質(zhì)鐵質(zhì)量為0.0539g。將此石墨基板置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1200℃時(shí)導(dǎo)入甲烷并恒溫1.5小時(shí)，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶2，反應(yīng)完成后冷卻絮狀產(chǎn)物，質(zhì)量1.2071g，是催化劑單質(zhì)鐵質(zhì)量的22.40倍。掃描電鏡觀察產(chǎn)物形貌，為毛線狀纖維，純度達(dá)94％。
實(shí)施例5將一表面積為4680mm2石墨基板浸漬于20ml的0.5mol/L硝酸鈷水溶液中，2小時(shí)后取出室溫干燥12小時(shí)，100℃繼續(xù)干燥1.0小時(shí)，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.1266g，計(jì)算其中單質(zhì)鈷質(zhì)量為0.0257g。將此石墨基板置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1100℃時(shí)導(dǎo)入甲烷并恒溫0.5小時(shí)，其中氫氣與甲烷的體積流量比為1∶1，反應(yīng)完成后冷卻絮狀產(chǎn)物，質(zhì)量0.7384g，是催化劑單質(zhì)鈷質(zhì)量的28.73倍。掃描電鏡觀察產(chǎn)物形貌，為毛線狀纖維，純度達(dá)95％。
實(shí)施例6將一表面積為4680mm2石墨基板浸漬于20ml的0.6mol/L硫酸鈷水溶液中，3小時(shí)后取出室溫干燥9小時(shí)，100℃繼續(xù)干燥1.5小時(shí)，得到均勻分布催化劑的基板，增重0.1126g，計(jì)算其中單質(zhì)鈷質(zhì)量為0.0340g。將此石墨基板置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1100℃時(shí)導(dǎo)入甲烷并恒溫0.5小時(shí)，其中氫氣與甲烷的體積流量比為1∶1，反應(yīng)完成后冷卻絮狀產(chǎn)物，質(zhì)量0.6844g，是催化劑單質(zhì)鈷質(zhì)量的20.13倍。掃描電鏡觀察產(chǎn)物形貌，為毛線狀纖維，純度達(dá)92％。
實(shí)施例7將一表面積為4680mm2石墨基板浸漬于20ml的0.5mol/L草酸鈷水溶液中，2.5小時(shí)后取出室溫干燥10小時(shí)，160℃繼續(xù)干燥1小時(shí)，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.1086g，計(jì)算其中單質(zhì)鈷質(zhì)量為0.0488g。將此石墨基板置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1150℃時(shí)導(dǎo)入甲烷并恒溫2.0小時(shí)，其中氫氣與甲烷的體積流量比為1∶1.4，反應(yīng)完成后冷卻絮狀產(chǎn)物，質(zhì)量0.8993g，是催化劑單質(zhì)鈷質(zhì)量的18.40倍。掃描電鏡觀察產(chǎn)物形貌，為毛線狀纖維，純度達(dá)90％。
實(shí)施例8將一表面積為4680mm2石墨基板浸漬于20ml的0.2mol/L乙酸鈷水溶液中，2小時(shí)后取出室溫干燥10小時(shí)，140℃繼續(xù)干燥1.5小時(shí)，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.0677g，計(jì)算其中單質(zhì)鈷質(zhì)量為0.0223g。將此石墨基板置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1100℃時(shí)導(dǎo)入甲烷并恒溫1.0小時(shí)，其中氫氣與甲烷的體積流量比為1∶1.6，反應(yīng)完成后冷卻絮狀產(chǎn)物，質(zhì)量0.5493g，是催化劑單質(zhì)鈷質(zhì)量的24.60倍。掃描電鏡觀察產(chǎn)物形貌，為毛線狀纖維，純度達(dá)91％。
權(quán)利要求
1.一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法，其特征在于包括如下步驟本發(fā)明提供的制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法，其特征是以甲烷為碳源，氫氣為稀釋氣，鐵或鈷化合物為催化劑，采用化學(xué)氣相沉積法；將催化劑負(fù)載在石墨基板上，置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，在氫氣氣氛中升溫，控制反應(yīng)溫度在1000-1200℃，然后導(dǎo)入甲烷并恒溫0.5-3.0小時(shí)，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1-1∶2，反應(yīng)完成后得毛線狀氣相生長炭纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法，其特征在于所述鐵化合物為硫酸亞鐵、硝酸鐵、氯化鐵或二茂鐵。
3.如權(quán)利要求1所述的一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法，其特征在于所述鐵鈷化合物是硝酸鈷、硫酸鈷、草酸鈷或乙酸鈷。
4.如權(quán)利要求1所述的一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法，其特征在于所述催化劑負(fù)載到石墨基板的方式為首先將鐵或鈷化合物配制為0.2-1.0mol/L的水或乙醇溶液，將石磨基板浸漬其中，1-3小時(shí)后取出，室溫自然干燥8-12小時(shí)，100-300℃繼續(xù)干燥0.5-2.0小時(shí)即得均勻分布了催化劑的石墨基板。
全文摘要
一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法是以甲烷為碳源，氫氣為稀釋氣，鐵或鈷化合物為催化劑，采用化學(xué)氣相沉積法；將催化劑負(fù)載在石墨基板上，置于反應(yīng)器恒溫區(qū)，在氫氣氣氛中升溫，控制反應(yīng)溫度在1000－1200℃，然后導(dǎo)入甲烷并恒溫0.5－3.0小時(shí)，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1－1∶2，反應(yīng)完成后得毛線狀氣相生長炭纖維。本發(fā)明具有制備方法簡單易操作，產(chǎn)物纖維均勻，純度高，單位產(chǎn)量高，實(shí)現(xiàn)了毛線狀氣相生長炭纖維制備的可控性的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號D01F9/127GK1632198SQ200410064589
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月7日
發(fā)明者劉朗, 張華 , 史景利, 郭全貴 申請人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所