[发明专利]一种纳米碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米炭纤维的制备方法。

背景技术

化学气相生长纳米炭纤维一般是由低碳烃和氢气在高温下与过渡金属Fe、Co、Ni及其合金接触时气相热解而生成的一种纳米尺度的炭纤维。它除了具有普通气相生长炭纤维的特性，如低密度、高比强度、高导电性能等外，还具有缺陷数量少、直径小、比表面积大和中空管作用强化等优点。其一般可用作催化剂载体、锂离子二次电池、电极材料、储氢材料和高级复合材料的增强体等。纳米炭纤维也可以增加对电磁波的散射和吸收能力，用它们制得的复合材料可以兼具吸波与承载负荷双功能，因此成为结构吸波材料发展的首选材料，在微波吸收领域有较好的应用前景。

目前，按照催化剂导入反应系统内的方式不同，气相生长纳米炭纤维的制备方法可以分为两类：基体法和流动催化剂法。

基体法是将石墨或陶瓷作为基体，施以纳米级催化剂颗粒作为助生长剂，高温下通入碳氢气体化合物，在催化剂的作用下碳氢化合物分解并在催化剂颗粒的一侧析出纳米级纤维状炭。这种基体催化剂方法可以制备出高质量的纳米炭纤维。但是，超细催化剂颗粒的制备非常困难，目前主要有以下几种方法在基体上引入催化剂：(1)化学镀法。化学镀是一种十分成熟的方法，其工艺路线成熟，设备简单，但是要获得纳米级的镀层和颗粒比较难，其工艺很难控制，而且镀在基体表面的催化剂层很容易脱落。(2)喷洒法。喷洒法是直接将催化剂制成超细纳米级颗粒，然后将其喷洒在基体上。虽然这种方法可以制备出高质量的纳米炭纤维，但是由于超细催化剂颗粒制备非常困难，并且在喷洒过程中，催化剂颗粒分布会不均匀，工艺很难控制，其成本很高。(3)分解法。分解法是先将基体在一定的强碱溶液中进行表面处理，然后在含有催化剂元素的硝酸盐中进行很长时间的浸泡，最后在高温下使硝酸盐分解为单质催化剂颗粒和气体。这种方法工艺简单，有效，但是由于强碱很容易损伤基体，影响基体的力学性能，而且排放的气体对空气有污染。

流动催化剂法原理上提供了大量制备纳米炭纤维的可能性。但是由于催化剂采用可溶于有机溶剂的有机金属化合物，并将其制成一定浓度的溶液，输入反应炉，并通以其它的反应气体和稀释气体，其产物在出气口处收集，因此该法得到的纤维质量远不如基体法的好。如纤维直径极不均匀，在纳米级纤维所占的比例少，而且产物中伴随有较多颗粒状炭黑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种不损伤炭纤维基体且能制备高质量、高纯度的纳米炭纤维的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米炭纤维的制备方法，用炭纤维作为基体，其基本工艺为：先将炭纤维的表面进行预处理，再在其表面通过电镀的方法制备催化剂镍涂层和单质，最后用化学气相沉积的方法在炭纤维上生长纳米炭纤维。其工艺步骤是：

(1)、炭纤维的表面预处理：

取聚丙烯基、黏胶基或沥青基炭纤维作为基体，炭纤维一般为1k或3k；将其放在有机溶液(丙酮或者苯)中浸泡3-4小时，除去炭纤维表面的一层有机胶和一些杂质，使其活性增大，炭纤维和有机溶液的质量比一般为1∶5到1∶10；然后用超声波和去离子水反复清洗炭纤维4-5次，除去残留在炭纤维表面的有机物；再将炭纤维放入干燥箱中进行烘干，温度保持在60-70℃，时间为4-5小时；在整个过程中，要始终保持炭纤维的清洁；

(2)、炭纤维的表面电镀镍：

电镀装置的电源装置为直流电源，电流大小为10mA-15mA，以保证单质镍能够顺利的沉积在炭纤维的表面。电镀液采用浓度为5％-10％的硫酸镍溶液。将处理后的炭纤维进行分散，并与电镀设备的阴极相连接。采用连续走丝的方法对炭纤维进行电镀，走丝速度为20-40cm/min，这样可以保证炭纤维表面电镀镍涂层和颗粒的均匀性。通过改变走丝速度可以调整炭纤维表面镍层的厚度以及颗粒的分布与大小。通过改变电流大小和走丝速度，可始终保持炭纤维表面单质镍为纳米级。将电镀完的炭纤维用超声波和去离子水反复清洗2-3次，时间一般为1-2min。再将清洗后的纤维进行烘干，温度为30-40℃，时间为5-6小时，将干燥箱的排风扇开启，尽量减少箱内的空气和水蒸气的含量。

(3)、化学气相沉积生长纳米炭纤维：