專利名稱：一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備毛線狀氣相生長炭纖維的方法。
背景技術：
氣相生長炭纖維自被發現以來，其生長機理、制備方法、形貌、性質及應用一直吸引著人們的普遍關注。最初發現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構(Gary G.Tibbetts.Journallf Crystal Growth 66(1984)，632)，隨后相繼發現了螺旋狀、二維樹狀、竹節狀、魚骨狀等不同結構的氣相生長炭纖維。氣相生長炭纖維的優良性能主要表現在高強度、高模量、低密度、高導電、導熱等方面；不同形貌炭纖維的特殊結構決定了它們除了具有一般炭纖維的優良性能外，還具有獨特性能，如螺旋狀炭纖維具有高彈性模量和獨特的吸波性能(吳法宇，杜金紅，等，螺旋狀炭纖維的微觀結構與儲能特性，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復合材料(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術研討會論文集，2003，84-87)，竹節狀炭纖維在氣體吸附方面有潛在價值(楊杭生，盧筱楠，一種節狀納米碳纖維的CVD生長，化學物理學報2000，13(3)324-328)。目前廣泛應用于氣相生長炭纖維的方法主要是化學氣相沉積法(CVD)，即一定溫度時在鐵、鈷、鎳及其合金等金屬催化劑存在下烴類進行催化熱解反應，催化劑表面即可沉積得到氣相生長炭纖維。
發明內容
本發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，可實現毛線狀氣相生長炭纖維的可控制備。
本發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，采用化學氣相沉積法；將催化劑負載在石墨基板上，置于反應器恒溫區，在氫氣氣氛中升溫，控制反應溫度在1000-1200℃，然后導入甲烷并恒溫0.5-3.0小時，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1-1∶2，反應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小時后取出，室溫自然干燥8-12小時，100-300℃繼續干燥0.5-2.0小時即得均勻分布了催化劑的石墨基板。
所述石墨基板為商業石墨塊。
本發明具有如下優點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，產物纖維均勻，純度高，單位產量高。
3、實現了毛線狀氣相生長炭纖維制備的可控性。
圖1、圖2為本發明實施例1制得的毛線狀氣相生長炭纖維的SEM照片。
具體實施例方式
實施例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小時后取出室溫干燥12小時，300℃繼續干燥0.5小時，得到均勻分布了催化劑的基板，基板增重0.1510g，計算其中單質鐵質量為0.0504g。將負載了催化劑的石墨基板置于反應器恒溫區，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1050℃時導入甲烷并恒溫1.0小時，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1，反應完成后冷卻收集產物，質量0.8093g，是催化劑單質鐵質量的16.20倍，產物宏觀形態為絮狀。掃描電鏡觀察產物形貌，產物為直徑約3-4μm的貌似毛線的纖維(見圖1)，純度達96％，每一纖維由無數更細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小時后取出室溫自然干燥8小時，100℃繼續干燥1.0小時，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.2168g，計算其中單質鐵質量為0.0517g。將此石墨基板置于反應器恒溫區，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1000℃時導入甲烷并恒溫0.5小時，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶2，反應完成后冷卻絮狀產物，質量1.1281g，是催化劑單質鐵質量的21.83倍。掃描電鏡觀察產物形貌，為毛線狀纖維，純度達90％。
實施例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小時后取出室溫干燥12小時，200℃繼續干燥1.0小時，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.1743g，計算其中單質鐵質量為0.0401g。將此石墨基板置于反應器恒溫區，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1200℃時導入甲烷并恒溫3.0小時，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1.5，反應完成后冷卻絮狀產物，質量1.4532g，是催化劑單質鐵質量的36.24倍。掃描電鏡觀察產物形貌，為毛線狀纖維，純度達92％。
實施例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小時后取出室溫干燥12小時，180℃繼續干燥2.0小時，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.1040g，計算其中單質鐵質量為0.0539g。將此石墨基板置于反應器恒溫區，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1200℃時導入甲烷并恒溫1.5小時，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶2，反應完成后冷卻絮狀產物，質量1.2071g，是催化劑單質鐵質量的22.40倍。掃描電鏡觀察產物形貌，為毛線狀纖維，純度達94％。
實施例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小時后取出室溫干燥12小時，100℃繼續干燥1.0小時，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.1266g，計算其中單質鈷質量為0.0257g。將此石墨基板置于反應器恒溫區，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1100℃時導入甲烷并恒溫0.5小時，其中氫氣與甲烷的體積流量比為1∶1，反應完成后冷卻絮狀產物，質量0.7384g，是催化劑單質鈷質量的28.73倍。掃描電鏡觀察產物形貌，為毛線狀纖維，純度達95％。
實施例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小時后取出室溫干燥9小時，100℃繼續干燥1.5小時，得到均勻分布催化劑的基板，增重0.1126g，計算其中單質鈷質量為0.0340g。將此石墨基板置于反應器恒溫區，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1100℃時導入甲烷并恒溫0.5小時，其中氫氣與甲烷的體積流量比為1∶1，反應完成后冷卻絮狀產物，質量0.6844g，是催化劑單質鈷質量的20.13倍。掃描電鏡觀察產物形貌，為毛線狀纖維，純度達92％。
實施例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小時后取出室溫干燥10小時，160℃繼續干燥1小時，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.1086g，計算其中單質鈷質量為0.0488g。將此石墨基板置于反應器恒溫區，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1150℃時導入甲烷并恒溫2.0小時，其中氫氣與甲烷的體積流量比為1∶1.4，反應完成后冷卻絮狀產物，質量0.8993g，是催化劑單質鈷質量的18.40倍。掃描電鏡觀察產物形貌，為毛線狀纖維，純度達90％。
實施例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小時后取出室溫干燥10小時，140℃繼續干燥1.5小時，得到均勻分布了催化劑的基板，增重0.0677g，計算其中單質鈷質量為0.0223g。將此石墨基板置于反應器恒溫區，氫氣氣氛中快速升溫，控制溫度1100℃時導入甲烷并恒溫1.0小時，其中氫氣與甲烷的體積流量比為1∶1.6，反應完成后冷卻絮狀產物，質量0.5493g，是催化劑單質鈷質量的24.60倍。掃描電鏡觀察產物形貌，為毛線狀纖維，純度達91％。
權利要求
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，采用化學氣相沉積法；將催化劑負載在石墨基板上，置于反應器恒溫區，在氫氣氣氛中升溫，控制反應溫度在1000-1200℃，然后導入甲烷并恒溫0.5-3.0小時，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1-1∶2，反應完成后得毛線狀氣相生長炭纖維。
2.如權利要求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小時后取出，室溫自然干燥8-12小時，100-300℃繼續干燥0.5-2.0小時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，采用化學氣相沉積法；將催化劑負載在石墨基板上，置于反應器恒溫區，在氫氣氣氛中升溫，控制反應溫度在1000－1200℃，然后導入甲烷并恒溫0.5－3.0小時，其中甲烷與氫氣的體積流量比為1∶1－1∶2，反應完成后得毛線狀氣相生長炭纖維。本發明具有制備方法簡單易操作，產物纖維均勻，純度高，單位產量高，實現了毛線狀氣相生長炭纖維制備的可控性的優點。
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 優先權日2004年12月7日
發明者劉朗, 張華 , 史景利, 郭全貴 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所