專利名稱：制備連續碳納米管復合纖維的方法
技術領域：
本發明涉及一種納米材料,特別涉及一種氣相流反應在線制備連續碳納米管復合纖維材料的制備方法。
背景技術：
碳納米管纖維(CNTF)具有多層次結構，由多根碳納米管聚集組成碳管束，碳管束取向聚集成連續碳納米管，除了具有碳納米管優異的力學、電學、磁學及熱學等性能，還具有質輕、性柔、熱穩定、化學穩定性等優異性能，可制備防彈衣、人工肌肉、燈絲、導電線等，纖維復合，可制備吸波、太陽能、傳感器、發聲、超電容、鋰電等柔性、可編織功能材料，具有極其廣泛的應用前景。高溫氣相流催化合成法制備碳管纖維是目前最穩定的制備方法，中國專利CN101153413公開了用液封氣相流催化反應制備連續碳納米管纖維的裝置和方法，該裝置的液體箱用水、乙醇、HC1、PVA水溶液等液體介質密封，由于高溫環境，可選擇密封液體受限。纖維出密封箱后在線浸潰復合制備連續碳管復合纖維，不受浸潰液體種類的限制，可得到多種復合纖維。

發明內容
本發明的目的，是提供一種連續碳納米管復合纖維的制備方法，該方法通過對化學氣相流紡絲后在線制備連續碳管復合纖維，具有`產量大、可操作性強的特征，且不受液相的種類限制，可合成各種不同的功能復合材料。本發明通過如下技術方案予以實現。一種制備連續碳納米管復合纖維的方法，具有如下步驟(I)將碳源、催化劑、和促進劑的混合水溶液用微量注射泵注入載氣氣流中，碳源、催化劑、和促進劑與水的質量百分比組成為80 96%、1. 0 3. 0%、1. 0 3. 0%、1. 0 16. 0% ；所述碳源為碳氫氣體、含碳有機物或者混合碳源，碳源占反應物的質量百分比含量為8(Γ96%;所述碳氫氣體為甲烷、乙烯或者乙炔；所述碳氫有機物包括乙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、苯或者二甲苯及其任意混合；所述混合碳源為甲烷與甲醇或者乙烯與甲醇；所述的催化劑為二茂鐵、氯化鐵、硫化鐵、硫酸鐵、草酸鎳或者草酸鈷，催化劑占反應物的質量百分比含量為O. 05 10%;所述的促進劑為水、噻吩或者醋酸鑰，促進劑占反應物的質量百分比含量為O. 02 20% ;所述載氣為氬氣、氫氣、氮氣和氦氣,載氣流量為5(T4000ml/min ;所述混合水溶液的注入速率為2 50ml/h ；(2)步驟(I)的載氣和混合水溶液液經噴嘴導入立式反應器裝置中進行反應，反應生成連續的碳納米管纖維；反應器的反應溫度為90(Ti60(rc ；(3 )步驟(2 )的連續碳納米管纖維出反應區后在線浸潰復合液，制備連續碳納米管復合纖維；所述浸潰復合液為鈦酸丁酯、PVA水溶液、環氧樹脂溶液、PVB酒精溶液或者納米娃水分散液；
(4)在線干燥，得到連續碳納米管復合纖維。所述步驟(I)優選的碳源、催化劑、和促進劑為乙醇、二茂鐵、噻吩。所述步驟(I)優選載氣為氫氣和氬氣,氫氣載氣氣流為20(T4000ml/min，氬氣載氣氣流為 5(T500ml/min。所述步驟(4)的在線干燥為紅外烤燈烘烤、熱風槍烘烤、加熱電阻爐烘烤、熱輥烘烤的一種或者幾種共同干燥。本發明的有益效果是，實現了一步制備連續碳納米管復合纖維，反應條件可操作性強，適宜大規模工業化生產碳納米管復合纖維。


圖1為實施例1PVB纖維復合材料光學照片；圖2為實施例3環氧樹脂復合纖維截面的掃描電鏡圖片。
具體實施例方式本發明提供的用于制備連續碳納米管復合纖維的裝置在專利CN200910070631. X公開的設備的基礎上，密封裝置為連接浸潰裝置，在線浸潰制備連續碳納米管復合纖維。實施例1將乙醇(碳源)、二茂鐵(催化劑)、噻吩(促進齊[J)和水按23. 7g、0. 45g、0. 40g、0. 66g超聲混合配成溶液，溶液通過微量注射器以5ml/h速度注入500ml/min Ar氣反應氣流中，合成反應在立式反應器裝置中進行，立式反應器裝置設置1100°C為反應溫度。在線浸潰聚乙烯醇縮丁醛(PVB)酒精溶液，在線干燥，制得連續PVB碳納米管復合纖維。圖1PVB纖維復合材料光學照片，表明此方法制得連續碳納米管復合纖維。實施例2將乙醇、二茂鐵、噻吩和水按23. 7g、0. 45g、0. 40g、0. 66g超聲混合配成溶液，溶液通過微量注射器以5ml/h速度注入1000ml/min Ar反應氣流中，合成反應在立式反應器裝置中進行，立式反應器裝置設置1200°C為反應溫度。。在線浸潰聚乙烯醇(PVA)水溶液，在線干燥，制得連續PVA碳納米管復合纖維。實施例3將乙醇、二茂鐵、噻吩和水按23. 7g、0. 45g、0. 40g、0. 66g超聲混合配成溶液，溶液通過微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H2反應氣流中，合成反應在立式反應器裝置中進行，立式反應器裝置設置1000°C為反應溫度。在線浸潰環氧樹脂溶液，在線干燥，制得環氧樹脂碳納米管復合纖維。圖2環氧樹脂復合纖維截面的掃描電鏡圖片，表明該方法制得均勻復合連續碳納米管纖維。實施例4將乙醇、二茂鐵、噻吩和水按23. 7g、0. 45g、0. 40g、0. 66g超聲混合配成溶液，溶液通過微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H2反應氣流中，合成反應在立式反應器裝置中進行，立式反應器裝置設置900°C為反應溫度。在線浸潰納米管分散液，在線干燥，制得連續納米硅碳納米管復合纖維。實施例5
將乙醇、二茂鐵、噻吩和水按23. 7g、0. 45g、0. 40g、0. 66g超聲混合配成溶液，溶液通過微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H2反應氣流中，合成反應在立式反應器裝置中進行，立式反應器裝置設置1300°C為反應溫度。在線浸潰聚丙烯腈(PAN)，在線干燥，制得連續PAN/碳納米管復合纖維。實施例6將乙醇、二茂鐵、噻吩和水按23. 7g、0. 45g、0. 40g、0. 66g超聲混合配成溶液，溶液通過微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H2反應氣流中，合成反應在立式反應器裝置中進行，立式反應器裝置設置1000°C為反應溫度。在線浸聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，在線干燥，制得連續PVP碳納米管復合纖維。實施例7將乙醇、二茂鐵、噻吩和水按23. 7g、0. 45g、0. 40g、0. 66g超聲混合配成溶液，溶液通過微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H2反應氣流中，合成反應在立式反應器裝置中進行，立式反應器裝置設置1500°C為反應溫度。在線浸潰聚環氧乙烷(ΡΕ0)，在線干燥，制得連續PEO/碳納米管復合纖維。實施例8將乙醇、二茂鐵、噻吩和水按23. 7g、0.45g、0. 40g、0. 66g超聲混合配成溶液，溶液通過微量注射器以4ml/h速度注入600ml/min H2反應氣流中，合成反應在立式反應器裝置中進行，立式反應器裝置設置1200°C為反應溫度。在線浸潰鈦酸丁酯，在線干燥，制得連續二氧化鈦碳納米管復合纖維。本發明所列舉的各原料都能實現本發明，在此不一一進行舉例說明。
權利要求
1.一種制備連續碳納米管復合纖維的方法，具有如下步驟 (1)將碳源、催化劑、和促進劑的混合水溶液用微量注射泵注入載氣氣流中，碳源、催化劑、和促進劑與水的質量百分比組成為:80 96%、1. 0 3· 0%、1· 0 3· 0%、1· 0 16· 0% ； 所述碳源為碳氫氣體、含碳有機物或者混合碳源，碳源占反應物的質量百分比含量為80^96% ;所述碳氫氣體為甲烷、乙烯或者乙炔；所述碳氫有機物包括乙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、苯或者二甲苯及其任意混合；所述混合碳源為甲烷與甲醇或者乙烯與甲醇；所述的催化劑為二茂鐵、氯化鐵、硫化鐵、硫酸鐵、草酸鎳或者草酸鈷，催化劑占反應物的質量百分比含量為O. 05 10%;所述的促進劑為水、噻吩或者醋酸鑰，促進劑占反應物的質量百分比含量為O. 02 20% ;所述載氣為氬氣、氫氣、氮氣和氦氣,載氣流量為5(T4000ml/min ;所述混合水溶液的注入速率為2 50ml/h ； (2)步驟(I)的載氣和混合水溶液液經噴嘴導入立式反應器裝置中進行反應，反應生成連續的碳納米管纖維；反應器的反應溫度為90(Tl60(rC ； (3 )步驟(2 )的連續碳納米管纖維出反應區后在線浸潰復合液，制備連續碳納米管復合纖維；所述浸潰復合液為鈦酸丁酯、PVA水溶液、環氧樹脂溶液、PVB酒精溶液或者納米硅水分散液； (4)在線干燥，得到連續碳納米管復合纖維。
2.根據權利要求1的制備連續碳納米管復合纖維的方法，其特征在于，所述步驟(I)優選的碳源、催化劑、和促進劑為乙醇、二茂鐵、噻吩。
3.根據權利要求1的制備連續碳納米管復合纖維的方法，其特征在于，所述步驟(I)優選載氣為氫氣和IS氣，氫氣載氣氣流為20CT4000ml/min, U1氣載氣氣流為5CT500ml/min。
4.根據權利要求1的制備連續碳納米管復合纖維的方法，其特征在于，所述步驟(4)的在線干燥為紅外烤燈烘烤、熱風槍烘烤、加熱電阻爐烘烤、熱輥烘烤的一種或者幾種共同干燥。
全文摘要
本發明公開了一種制備連續碳納米管復合纖維的方法，步驟為將乙醇、二茂鐵、噻吩和水的混合溶液通過微量注射泵注入載氣氣流中，經噴嘴導入石英管中，在900~1600℃高溫條件下進行反應，反應制備連續碳納米管纖維，在線浸漬鈦酸丁酯、PVA水溶液、環氧樹脂溶液、PVB酒精溶液、納米硅水分散液等復合液制備連續碳納米管復合纖維。本發明實現了一步合成連續碳管納米復合纖維，操作簡便，適宜大規模工業化生產。
文檔編號D01F9/12GK103031624SQ20121050771
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月3日 優先權日2012年12月3日
發明者李亞利, 許威 申請人:天津大學