專利名稱：一種在石英纖維表面合成碳納米管陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是屬于化工領(lǐng)域的一種制備方法，主要用于在石英纖維表面制備合成碳納米管陣列。
背景技術(shù)：
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空和風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中。不同的纖維結(jié)構(gòu)被用來增強(qiáng)聚合物基體，如一維、二維結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)復(fù)合材料面內(nèi)強(qiáng)度但層間剪切強(qiáng)度較弱。為了改善層間剪切強(qiáng)度，人們提出將碳納米管和纖維復(fù)合起來增強(qiáng)聚合物，制備這種復(fù)合增強(qiáng)體的方法有簡單混合、電泳或物理沉積、原位生長等。采用化學(xué)氣相沉積法 (CVD)在纖維表面原位生長碳納米管，如Siang等人(Zhang Q, Liu J, Sager R, Dai L, Baur J. Hierarchical composites of carbon nanotubes on carbon fiber : influence of growth condition on fiber tensile properties. Compos Sci Technol 2009;69:594-601.)采用CVD法在碳纖維表面生長出碳納米管，可望在纖維表面形成致密而長的碳納米管，致使平行纖維布之間相互纏結(jié)，從而有利于提高纖維層間的剪切強(qiáng)度。目前，采用CVD法制備纖維-碳納米管三維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體的纖維主要集中在碳纖維上，由于CVD過程的高溫及催化劑對(duì)碳纖維的浸潤擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致碳纖維的性能下降。本發(fā)明以耐高溫的石英纖維布為基板，在保證纖維性能不下降的情況下在其表面原位生長碳納米管陣列，不但有望提高纖維布間的相互作用，而且賦予了絕緣纖維新的功能——導(dǎo)電和導(dǎo)熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一，是提供一種在石英纖維表面原位生長碳納米管陣列的方法， 以克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷。本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的
碳納米管陣列的制備方法通常都是在基板上電子束蒸發(fā)或者磁控濺射上一層幾納米的金屬催化劑層，通過合適的碳源氣、氫氣、惰性氣體之比以及嚴(yán)格的反應(yīng)條件所生成制得。為了解決以上問題，通過浸漬方法使得纖維表面有一均勻的催化劑顆粒層，一方面解決了磁控濺射金屬催化劑層的困難性，另一方面也降低了實(shí)際生產(chǎn)的成本。進(jìn)一步通過放置合適位置與合適的放置方式，最終制備得到碳納米管陣列。一種在石英纖維表面合成碳納米管陣列的方法，包括如下步驟首先，將金屬鹽催化劑與溶劑混合均勻，再放入石英纖維浸漬4 他，在所述石英纖維表面形成催化劑層；然后，將表面形成催化劑層的石英纖維放入反應(yīng)器中，通入惰性氣體，利用化學(xué)氣相沉積使所述催化劑層形成均勻的納米級(jí)金屬催化劑顆粒，由所述納米級(jí)金屬催化劑顆粒引發(fā)分解碳源生成碳納米管，反應(yīng)溫度500 70(TC，最終碳納米管垂直生長在每根石英纖維上形成碳納米管陣列，尾氣經(jīng)吸收排空。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉碳源，用惰性氣體對(duì)反應(yīng)器(管式爐)進(jìn)行降溫，當(dāng)溫度降至室溫時(shí)，取出已經(jīng)生長了碳納米管的石英纖維布。所制得的碳納米管管徑均勻，形狀規(guī)則。所述金屬鹽催化劑為硝酸鈷、硝酸鎳、硝酸鐵、硫酸鎳中的任一種，其溶液濃度為 0.1 0. 5mol/L。所述溶劑為去離子水、無水乙醇、異丙醇中的任一種。所述惰性氣體與所述碳源的體積比為20 0. 5 1. 5。所述反應(yīng)時(shí)間為5 60min。所述碳源為乙炔、乙烯、甲烷中的任一種。所述惰性氣體為氮?dú)?、氦氣、氬氣中的任一種。所述碳納米管陣列的長度為IOOnm -Iym,管徑15 60nm，分布均勻。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明以耐高溫的石英纖維布為基板，在保證纖維性能不下降的情況下在其表面原位生長碳納米管陣列，不但有望提高纖維布間的相互作用，而且賦予了絕緣纖維新的功能——導(dǎo)電和導(dǎo)熱。


圖1是本發(fā)明所述管式爐的結(jié)構(gòu)示意圖2是實(shí)施例1產(chǎn)物的碳納米管陣列生長于纖維表面的電鏡照片； 圖3是實(shí)施例1產(chǎn)物的碳納米管的透射電鏡照片； 圖4是實(shí)施例2產(chǎn)物的電鏡照片； 圖5是實(shí)施例3產(chǎn)物的電鏡照片； 圖6是實(shí)施例4產(chǎn)物的電鏡照片。符號(hào)說明
1氬氣；2乙炔；3剛玉管；4方舟；5溫度控制器；6尾氣處理。
具體實(shí)施例方式下面，用實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明內(nèi)容，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于實(shí)施例。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明精神和保護(hù)范圍的情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。實(shí)施例1
配置0. lmol/L的Ni (NO3)2水溶液(溶劑還可以使用無水乙醇或異丙醇)，通過浸漬法使石英纖維表面帶上一層催化劑層。放入管式爐中通入Ar，加熱升溫，當(dāng)溫度升到設(shè)定值 (650°C)時(shí)，C2H2 以一定流量(Ar/C2H2=20 :1)通入，反應(yīng) 30min，關(guān)閉 C2H2，Ar 以 800mL/min 的流速來冷卻管式爐，當(dāng)溫度降至室溫，取出變?yōu)楹谏氖⒗w維布。所得碳納米管的直徑為15 50nm，長度為600nm左右。產(chǎn)物的碳納米管陣列生長于纖維表面的電鏡照片如圖2 所示，圖3是透射電鏡照片。實(shí)施例2
配置0. lmol/L的Ni (NO3)2水溶液，通過浸漬法使石英纖維表面帶上一層催化劑層。放入管式爐中通入Ar，加熱升溫，當(dāng)溫度升到設(shè)定值(650°C)時(shí)，C2H2以一定流量(Ar/C2H2=20 1)通入，反應(yīng)60min，關(guān)閉C2H2，Ar以800mL/min的流速來冷卻管式爐，當(dāng)溫度降至室溫，取出變?yōu)楹谏氖⒗w維布。所得碳納米管的直徑為20 60nm，長度為1 μ m左右。產(chǎn)物的電鏡照片如圖4所示。實(shí)施例3
配置0. 5mol/L的Ni (NO3)2水溶液，通過浸漬法使石英纖維表面帶上一層催化劑層。放入管式爐中通入Ar，加熱升溫，當(dāng)溫度升到設(shè)定值(650°C)時(shí)，C2H2以一定流量(Ar/C2H2=20 1)通入，反應(yīng)30min，關(guān)閉C2H2，Ar以800mL/min的流速來冷卻管式爐，當(dāng)溫度降至室溫，取出變?yōu)楹谏氖⒗w維布。所得碳納米管的直徑為15 50nm，長度為500nm左右。產(chǎn)物的電鏡照片如圖5所示。實(shí)施例4
配置0. lmol/L的Ni (NO3)2水溶液，通過浸漬法使石英纖維表面帶上一層催化劑層。放入管式爐中通入Ar，加熱升溫，當(dāng)溫度升到設(shè)定值(500°C)時(shí)，C2H2以一定流量(Ar/C2H2=20 1)通入，反應(yīng)30min，關(guān)閉C2H2，Ar以800mL/min的流速來冷卻管式爐，當(dāng)溫度降至室溫，取出變?yōu)楹谏氖⒗w維布。所得碳納米管的直徑為15 60nm，長度為300nm左右。產(chǎn)物的電鏡照片如圖6所示。實(shí)施例5
配置0. lmol/L的Co (NO3)2水溶液，通過浸漬法使石英纖維表面帶上一層催化劑層。放入管式爐中通入Ar，加熱升溫，當(dāng)溫度升到設(shè)定值(650°C)時(shí)，C2H2以一定流量(Ar/C2H2=20 1)通入，反應(yīng)30min，關(guān)閉C2H2，Ar以800mL/min的流速來冷卻管式爐，當(dāng)溫度降至室溫，取出變?yōu)楹谏氖⒗w維布。所得碳納米管的直徑為20 50nm，長度為微米級(jí)。
權(quán)利要求
1.一種在石英纖維表面合成碳納米管陣列的方法，其特征在于，包括如下步驟 首先，將金屬鹽催化劑與溶劑混合均勻，再放入石英纖維浸漬4 他，在所述石英纖維表面形成催化劑層；然后，將表面形成催化劑層的石英纖維放入反應(yīng)器中，通入惰性氣體， 利用化學(xué)氣相沉積使所述催化劑層形成均勻的納米級(jí)金屬催化劑顆粒，由所述納米級(jí)金屬催化劑顆粒引發(fā)分解碳源生成碳納米管，反應(yīng)溫度500 70(TC，最終碳納米管垂直生長在每根石英纖維上形成碳納米管陣列，尾氣經(jīng)吸收排空。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬鹽催化劑為硝酸鈷、硝酸鎳、硝酸鐵、硫酸鎳中的任一種，其溶液濃度為0. 1 0. 5mol/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶劑為去離子水、無水乙醇、異丙醇中的任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體與所述碳源的體積比為20 0. 5 1. 5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)時(shí)間為5 60min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳源為乙炔、乙烯、甲烷中的任一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體為氮?dú)?、氦氣、氬氣中的任一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳納米管陣列的長度為IOOnm 1 μ m,管徑15 60nm，分布均勻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在石英纖維表面合成碳納米管陣列的方法。該方法主要選用氣體碳源作為主要原料，將催化劑顆粒均勻分布在石英纖維表面，控制管式爐的升溫速率，一定溫度下碳源以一定流量進(jìn)入管式爐并在催化劑作用下分解生成碳納米管。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉碳源，利用惰性氣體對(duì)管式爐進(jìn)行降溫。溫度降至室溫時(shí)，將顏色變?yōu)楹谏氖⒗w維取出，制得的碳納米管陣列在表面均勻分布，形狀規(guī)則，比較好地克服了傳統(tǒng)碳納米管陣列生成的復(fù)雜性、需要易燃?xì)怏w氫氣等缺陷，大大增加了操作的安全性和簡易性，在石英纖維表面制備出了尺寸分布較均勻的碳納米管陣列。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102433732SQ20111021920
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月2日
發(fā)明者張玲, 李春忠, 金磊 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)