專利名稱：一種提高納米碳纖維成型體耐磨性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高納米粉末成型體耐磨性能的方法，更具體而言涉及一種納米碳 纖維成型體耐磨性能的方法。
背景技術(shù)：
納米碳纖維具有獨(dú)特的力學(xué)性能和電性能，在復(fù)合材料增強(qiáng)體、電極電器材料、儲 能材料及吸波材料等方面已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。同時，納米碳纖維還具有優(yōu)異的物 理化學(xué)性能，應(yīng)用于催化劑和催化劑載體方面也存在著巨大的潛在效益和理論研究價值。 納米碳纖維作為催化劑載體具有微觀結(jié)構(gòu)可控、界面效應(yīng)強(qiáng)、中孔含量高、機(jī)械強(qiáng)度高、 雜質(zhì)含量少、耐酸耐堿耐熱等優(yōu)點。納米碳纖維的中孔特征有利于內(nèi)擴(kuò)散嚴(yán)重的催化反 應(yīng)的進(jìn)行。納米碳纖維的石墨基面和邊界與負(fù)載的金屬粒子之間可以通過強(qiáng)相互作用來 提高催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性。納米碳纖維催化劑載體在加氫、脫氫、合成氨、氫甲 酰化、脫硫、 一氧化氮分解、燃料電池電催化等反應(yīng)中顯示出良好的活性和與活性組分 間的協(xié)同能力。納米碳纖維直接作為催化劑可用于乙苯氧化脫氫制苯乙烯的反應(yīng)。
催化劑成型是制備工業(yè)催化劑的主要步驟之一。催化劑成型主要是為了給特定反應(yīng) 提供適宜形狀、尺寸和機(jī)械強(qiáng)度的粒狀催化劑，從而有利于反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱和流 體力學(xué)過程，使催化反應(yīng)與反應(yīng)器相匹配，充分發(fā)揮催化劑的催化活性和選擇性。
納米碳纖維一般以粉末形態(tài)存在，不適用于工業(yè)催化反應(yīng)工藝的要求。如應(yīng)用于工 業(yè)氣固相固定床催化反應(yīng)器，粉末易被高速氣流帶走，堵塞下級管路，并造成催化劑損 失，而且粉末催化劑床層的氣流分布不均，壓降較大，造成過多的動力消耗，對催化反 應(yīng)不利；應(yīng)用于工業(yè)液相催化反應(yīng)器，粉末容易懸浮于反應(yīng)液中，不易分離，造成催化 劑難于回收利用。納米碳纖維自身成型能力較差，要將納米碳纖維成型，可以通過添加 粘合劑進(jìn)行模壓成型(文獻(xiàn)l:李平等，中國專利CN1586714A)。
粒狀催化劑機(jī)械性能的一個主要指標(biāo)就是耐磨性能(又稱耐磨強(qiáng)度)。催化劑顆粒在 裝卸、運(yùn)輸、裝填過程中顆粒之間會發(fā)生碰撞和摩擦，同時催化劑顆粒在使用過程中受 到高速流體的沖擊，這些過程都會破壞催化劑顆粒表面，使其產(chǎn)生粉塵。催化劑顆粒的 耐磨性能就是用產(chǎn)生粉塵量的多少來衡量的。而納米碳纖維因自團(tuán)聚性較差，即使通過 添加粘合劑進(jìn)行模壓成型，得到的納米碳纖維成型體仍存在著耐磨強(qiáng)度低的缺點。因此， 必須研究提高納米碳纖維成型體耐磨強(qiáng)度的方法。目前，國內(nèi)外還沒有有關(guān)納米碳纖維 成型體耐磨性能的研究報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種提高納米碳纖維成型體耐磨性能的方法，以 滿足工業(yè)催化反應(yīng)的需要。制得的納米碳纖維成型體具有一定的形狀和尺寸，耐磨強(qiáng)度高，并且含有大量的孔道，可以作為催化材料使用。
本發(fā)明所述的提高納米碳纖維成型體耐磨性能的方法，是在納米碳纖維成型體表面 進(jìn)行涂層處理，涂層主要成分為碳。包括如下步驟將納米碳纖維成型體在粘合劑溶液 中浸泡一段時間，取出后進(jìn)行熱處理，先在空氣氣氛中使粘合劑固化，然后在惰性氣氛 中加熱至高溫，使粘合劑轉(zhuǎn)化為碳。
術(shù)語"涂層"指的是"用物理、化學(xué)或其它方法，在基體材料表面形成的一層金屬 或非金屬的覆蓋層"(見文獻(xiàn)2:胡傳圻等編著，涂層技術(shù)原理及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社,
2000年，第1頁)。
所述的納米碳纖維成型體是指采用文獻(xiàn)1所用的模壓成型的方式得到的；文獻(xiàn)1中 納米碳纖維成型體的制備方法為將納米碳纖維粉末、粘合劑、和助劑壓制成柱狀片劑，
將得到的片劑在373 573K溫度下的空氣氣氛中加熱，接著在惰性氣氛中升溫至773 1273K并保持2 10h即可。
所述的粘合劑溶液由溶劑與粘合劑組成，溶劑為乙醇、丙酮、異丙醇或聚乙二醇等， 用于溶解粘合劑，降低粘合劑黏度，與納米碳纖維混合時均勻分散粘合劑，并起到改善 固體表面性能，增強(qiáng)納米碳纖維與粘合劑之間接觸性能的作用，較好選用乙醇或丙酮； 所述的粘合劑為酚醛樹脂、聚芳基乙炔、環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇縮丁醛或羧甲基纖維素等， 經(jīng)溶劑溶解后能夠與納米碳纖維較好地接觸，較好選酚醛樹脂、聚芳基乙炔或聚乙烯醇 縮丁醛；上述溶劑與粘合劑之間任選一種組合成粘合劑溶液，如乙醇和酚醛樹脂，也可 任選兩種組合成溶液，再均勻混合成粘合劑溶液，例如乙醇和酚醛樹脂組合成一種溶液， 丙酮和聚芳基乙炔組合成一種溶液，兩種溶液均勻混合成粘合劑溶液，溶液中粘合劑的 質(zhì)量濃度為10%~90%，較好為20%~80%，最好為30%~70%。
將納米碳纖維成型體于室溫下在粘合劑溶液中浸泡0.5~24 hr，然后在353~423 K溫 度下空氣氣氛中加熱2 20hr，使片劑中的粘合劑受熱固化，再改用惰性氣氛如氬氣或氮 氣，繼續(xù)升溫至773~1273 K，較優(yōu)的溫度為873 1273K，并保持2 10hr，粘結(jié)劑發(fā)生 炭化，在片劑表面形成碳涂層。加了碳涂層的納米碳纖維成型體耐磨強(qiáng)度大幅度提高， 提高了納米碳纖維成型體作為催化劑使用的機(jī)械強(qiáng)度。
采用本發(fā)明的方法得到的納米碳纖維成型體，具有很高的耐磨強(qiáng)度，按國標(biāo) GB3636-83測得磨耗率可低至1.21%。與按照文獻(xiàn)1得到的沒有碳涂層的納米碳纖維成型 體相比，耐磨強(qiáng)度提高了 IO倍以上。
磨耗率測試標(biāo)準(zhǔn) GB3636—83
實施例
比較例
按照文獻(xiàn)1制備納米碳纖維成型體稱取40g酚醛樹脂粉末和40g聚乙二醇液體進(jìn)行混合，然后加入100g納米碳纖維粉末。將所述的混合物在模壓機(jī)上壓片，得到平均尺寸 為4)10mmX4mm的圓柱狀片劑400個。將所得片劑放入烘箱中，升溫至453K，并保持 4hr進(jìn)行固化。再將所得固化片劑轉(zhuǎn)移入高溫加熱爐中，通入氮?dú)?，升溫?73K，并保 持6h，進(jìn)行碳化。冷卻后即得納米碳纖維成型體。按國標(biāo)GB3636-83測得磨耗率為34.18%。
實施例1
首先配制粘合劑溶液。將聚芳基乙炔溶解于丙酮中，聚芳基乙炔的質(zhì)量濃度為30%。 然后取比較例中得到的平均尺寸為4> 10 mmX4 mm的圓柱狀納米碳纖維成型體50個，浸 泡在1000ml上述粘合劑溶液中，24hr后取出。將所得片劑放入353 K烘箱中加熱固化 18 hr。再將所得成型體放入高溫加熱爐中，通入氬氣，升溫至1073 K進(jìn)行炭化，保持8 hr。 冷卻后即得耐磨型納米碳纖維成型體。按國標(biāo)GB3636-83測得磨耗率為2.63y。。與沒有 碳涂層的納米碳纖維成型體相比，耐磨強(qiáng)度提高了 13倍。
實施例2
首先配制粘合劑溶液。將聚芳基乙炔溶解于丙酮中，聚芳基乙炔的質(zhì)量濃度為30%。 將聚乙烯醇縮丁醛溶解于乙醇中，聚乙烯醇縮丁醛的質(zhì)量濃度為30%。再將上述兩種溶 液按體積比l: l混合。取按照比較例相同制備方法得到的平均尺寸為4)5mmX5mm的 圓柱狀納米碳纖維成型體50個，浸泡在上述1500ml粘合劑混合溶液中，12hr后取出晾 干。將所得成型體放入353 K烘箱中加熱固化12hr。再將所得成型體放入高溫加熱爐中， 通入氬氣，升溫至873 K進(jìn)行炭化，保持10hr。冷卻后即得耐磨型納米碳纖維成型體。 按國標(biāo)GB3636-83測得磨耗率為1.21%。與沒有碳涂層的納米碳纖維成型體相比，耐磨 強(qiáng)度提高了28.2倍。
實施例3
先將質(zhì)量濃度為10%酚醛樹脂的聚乙二醇溶液和60%聚芳基乙炔的丙酮溶液混合均 勻。再將比較例中得到的平均尺寸為4) 10 mmX4 mm的圓柱狀納米碳纖維成型體60個， 浸泡在上述混合液中，放置2hr。將所得成型體放入烘箱中固化18hr，具體固化步驟為 353 K溫度下保持2hr， 373 K溫度下保持8 hr, 393 K溫度下保持8 hr。再將所得成型體 放入高溫加熱爐中，通入氬氣，升溫至1273 K進(jìn)行炭化，保持4hr。冷卻后即得耐磨型 納米碳纖維成型體。按國標(biāo)GB3636-83測得磨耗率為2.93M。與沒有碳涂層的納米碳纖 維成型體相比，耐磨強(qiáng)度提高了 U.7倍。
實施例4
先將聚芳基乙炔溶解于丙酮中，配成質(zhì)量百分濃度為28%的聚芳基乙炔丙酮溶液。 再將按照比較例相同制備方法得到的平均尺寸為小5 mmX4mm的納米碳纖維成型體50 個，在上述溶液中浸漬6hr。將所得成型體放入烘箱中固化6hr,具體固化步驟為353 K 溫度下保持2hr, 393K溫度下保持2hr， 423 K溫度下保持2 hr。將所得成型體放入高溫加熱爐中，通入氬氣，升溫至973 K進(jìn)行炭化，保持8hr。冷卻后即制得耐磨型納米碳 纖維成型體。按國標(biāo)GB3636-83測得磨耗率為3.21。/。。與沒有碳涂層的納米碳纖維成型 體相比，耐磨強(qiáng)度提高了 10.6倍。
實施例5
配制酚醛樹脂和聚乙二醇溶液，其中，酚醛樹脂的質(zhì)量濃度為90%。再將按照比較 例相同制備方法得到的平均尺寸為小5 mmX4 mm的納米碳纖維成型體50個，在上述溶 液中浸漬0.5hr。將所得成型體放入烘箱中在423K溫度下固化2hr。再將所得成型體放 入高溫加熱爐中，通入氬氣，升溫至1073 K進(jìn)行炭化，保持8hr。冷卻后即制得耐磨型 納米碳纖維成型體。按國標(biāo)GB3636-83測得磨耗率為4.26y。。與沒有碳涂層的納米碳纖 維成型體相比，耐磨強(qiáng)度提高了8倍。
實施例6
配制酚醛樹脂和聚乙二醇溶液，其中，酚醛樹脂的質(zhì)量濃度為90%。再將按照比較 例相同制備方法得到的平均尺寸為4>5 mmX4 mm的納米碳纖維成型體50個，在上述溶 液中浸漬24hr。將所得成型體放入烘箱中在423 K溫度下固化6 hr。再將所得成型體放入 高溫加熱爐中，通入氬氣，升溫至773K進(jìn)行炭化，保持8hr。冷卻后即制得耐磨型納米 碳纖維成型體。按國標(biāo)GB3636-83測得磨耗率為3.48W。與沒有碳涂層的納米碳纖維成 型體相比，耐磨強(qiáng)度提高了9.82倍。
權(quán)利要求
1、一種提高納米碳纖維成型體耐磨性能的方法，包括以下步驟將納米碳纖維成型體在粘合劑溶液中浸泡后取出，先在空氣氣氛中加熱使粘合劑固化，然后在惰性氣氛中加熱至高溫，使粘合劑碳化；所述的粘合劑溶液由溶劑和粘合劑組成，所述溶劑為乙醇、丙酮、異丙醇或聚乙二醇，所述粘合劑為酚醛樹脂、聚芳基乙炔、環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇縮丁醛或羥甲基纖維素。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于將納米碳纖維成型體在粘合劑中浸泡0.5 24hr 后取出，先在353 423K溫度下空氣氣氛中加熱2 20hr,然后在惰性氣氛中升溫至 773 1273K加熱2 10hr使粘合劑碳化。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述溶劑為乙醇或丙酮，所述的粘合劑為 酚醛樹脂、聚芳基乙炔、或聚乙烯醇縮丁醛。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于所述溶劑為乙醇、丙酮、異丙醇或聚乙二醇中 的二種；所述粘合劑為酚醛樹脂、聚芳基乙炔、環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇縮丁酸或羥甲基 纖維素中的二種。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述粘合劑的質(zhì)量濃度為10 90%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述粘合劑的質(zhì)量濃度為20 80%。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述粘合劑的質(zhì)量濃度為30 70%。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:所述在惰性氣氛中加熱溫度為873 1273K。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高納米碳纖維成型體耐磨性能的方法。包括如下步驟將納米碳纖維成型體在粘合劑溶液中浸泡一段時間，取出后先在空氣氛中使粘合劑固化，然后在惰性氣氛中加熱至高溫，使粘合劑轉(zhuǎn)化為碳。本發(fā)明得到的表面覆蓋有碳涂層的納米碳纖維成型體，按國標(biāo)GB3636-83測得磨耗率低至1.21％，與沒有碳涂層的納米碳纖維成型體相比，耐磨強(qiáng)度可提高10倍以上。
文檔編號B01J32/00GK101462075SQ20091002912
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者何昌春, 周興貴, 堵文彬, 尹淑華, 平 李, 洋 汪, 浩 袁 申請人:中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司