一种制备毛线状气相生长炭纤维的方法 【技术领域】
本发明涉及一种制备毛线状气相生长炭纤维的方法。
背景技术
气相生长炭纤维自被发现以来，其生长机理、制备方法、形貌、性质及应用一直吸引着人们的普遍关注。最初发现气相生长炭纤维是由石磨层面沿纤维轴向堆积排列而成的一种一维结构(Gary G.Tibbetts.Journallf Crystal Growth 66(1984)，632)，随后相继发现了螺旋状、二维树状、竹节状、鱼骨状等不同结构的气相生长炭纤维。气相生长炭纤维的优良性能主要表现在高强度、高模量、低密度、高导电、导热等方面；不同形貌炭纤维的特殊结构决定了它们除了具有一般炭纤维的优良性能外，还具有独特性能，如螺旋状炭纤维具有高弹性模量和独特的吸波性能(吴法宇，杜金红，等，螺旋状炭纤维的微观结构与储能特性，新型炭材料，2004，19(2)：81-86)，二维树状炭纤维可望用于高性能增强复合材料(朱春野，谢自立，等，二维树状分叉炭纤维的浮动催化法制备，第六届全国新型炭材料学术研讨会论文集，2003，84-87)，竹节状炭纤维在气体吸附方面有潜在价值(杨杭生，卢筱楠，一种节状纳米碳纤维的CVD生长，化学物理学报2000，13(3)：324-328)。目前广泛应用于气相生长炭纤维的方法主要是化学气相沉积法(CVD)，即一定温度时在铁、钴、镍及其合金等金属催化剂存在下烃类进行催化热解反应，催化剂表面即可沉积得到气相生长炭纤维。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种获得高纯度毛线状气相生长碳纤维的制备方法，可实现毛线状气相生长炭纤维的可控制备。
本发明提供的制备毛线状气相生长炭纤维的方法，其特征是以甲烷为碳源，氢气为稀释气，铁或钴化合物为催化剂，采用化学气相沉积法；将催化剂负载在石墨基板上，置于反应器恒温区，在氢气气氛中升温，控制反应温度在1000-1200℃，然后导入甲烷并恒温0.5-3.0小时，其中甲烷与氢气的体积流量比为1∶1-1∶2，反应完成后得毛线状气相生长炭纤维。
如上所述催化剂铁化合物为硫酸亚铁、硝酸铁、氯化铁、二茂铁等。
如上所述催化剂铁钴化合物是硝酸钴、硫酸钴、草酸钴、乙酸钴等。
如上所述催化剂负载到石墨基板的方式为：首先将铁或钴化合物配制为0.2-1.0mol/L的水或乙醇溶液，将石磨基板浸渍其中，1-3小时后取出，室温自然干燥8-12小时，100-300℃继续干燥0.5-2.0小时即得均匀分布了催化剂的石墨基板。
所述石墨基板为商业石墨块。
本发明具有如下优点：
1、提供了一种制备毛线状气相生长炭纤维的方法。
2、制备方法简单易操作，产物纤维均匀，纯度高，单位产量高。
3、实现了毛线状气相生长炭纤维制备的可控性。
附图说明：
图1、图2为本发明实施例1制得地毛线状气相生长炭纤维的SEM照片。
【具体实施方式】
实施例1
称取2.96g硫酸亚铁溶入20ml去离子水中配制得0.5mol/L的溶液，将一表面积为4680mm2的石墨基板(30*60*6mm)浸渍其中，1小时后取出室温干燥12小时，300℃继续干燥0.5小时，得到均匀分布了催化剂的基板，基板增重0.1510g，计算其中单质铁质量为0.0504g。将负载了催化剂的石墨基板置于反应器恒温区，氢气气氛中快速升温，控制温度1050℃时导入甲烷并恒温1.0小时，其中甲烷与氢气的体积流量比为1∶1，反应完成后冷却收集产物，质量0.8093g，是催化剂单质铁质量的16.20倍，产物宏观形态为絮状。扫描电镜观察产物形貌，产物为直径约3-4μm的貌似毛线的纤维(见图1)，纯度达96％，每一纤维由无数更细的纤维分叉或合并组成(见图2)。由透射电镜图得知纤维石磨层面与纤维轴向成一定角度，即此纤维为毛线状气相生长炭纤维。
实施例2
称取3.72g二茂铁溶入20ml乙醇中得1.0mol/L的溶液，将一表面积为4680mm2石墨基板浸渍其中，3小时后取出室温自然干燥8小时，100℃继续干燥1.0小时，得到均匀分布了催化剂的基板，增重0.2168g，计算其中单质铁质量为0.0517g。将此石墨基板置于反应器恒温区，氢气气氛中快速升温，控制温度1000℃时导入甲烷并恒温0.5小时，其中甲烷与氢气的体积流量比为1∶2，反应完成后冷却絮状产物，质量1.1281g，是催化剂单质铁质量的21.83倍。扫描电镜观察产物形貌，为毛线状纤维，纯度达90％。
实施例3
将一表面积为4680mm2石墨基板浸渍于20ml的0.7mol/L硝酸铁水溶液中，2小时后取出室温干燥12小时，200℃继续干燥1.0小时，得到均匀分布了催化剂的基板，增重0.1743g，计算其中单质铁质量为0.0401g。将此石墨基板置于反应器恒温区，氢气气氛中快速升温，控制温度1200℃时导入甲烷并恒温3.0小时，其中甲烷与氢气的体积流量比为1∶1.5，反应完成后冷却絮状产物，质量1.4532g，是催化剂单质铁质量的36.24倍。扫描电镜观察产物形貌，为毛线状纤维，纯度达92％。
实施例4
将一表面积为4680mm2石墨基板浸渍于20ml的0.2mol/L氯化铁水溶液中，2小时后取出室温干燥12小时，180℃继续干燥2.0小时，得到均匀分布了催化剂的基板，增重0.1040g，计算其中单质铁质量为0.0539g。将此石墨基板置于反应器恒温区，氢气气氛中快速升温，控制温度1200℃时导入甲烷并恒温1.5小时，其中甲烷与氢气的体积流量比为1∶2，反应完成后冷却絮状产物，质量1.2071g，是催化剂单质铁质量的22.40倍。扫描电镜观察产物形貌，为毛线状纤维，纯度达94％。
实施例5
将一表面积为4680mm2石墨基板浸渍于20ml的0.5mol/L硝酸钴水溶液中，2小时后取出室温干燥12小时，100℃继续干燥1.0小时，得到均匀分布了催化剂的基板，增重0.1266g，计算其中单质钴质量为0.0257g。将此石墨基板置于反应器恒温区，氢气气氛中快速升温，控制温度1100℃时导入甲烷并恒温0.5小时，其中氢气与甲烷的体积流量比为1∶1，反应完成后冷却絮状产物，质量0.7384g，是催化剂单质钴质量的28.73倍。扫描电镜观察产物形貌，为毛线状纤维，纯度达95％。
实施例6
将一表面积为4680mm2石墨基板浸渍于20ml的0.6mol/L硫酸钴水溶液中，3小时后取出室温干燥9小时，100℃继续干燥1.5小时，得到均匀分布催化剂的基板，增重0.1126g，计算其中单质钴质量为0.0340g。将此石墨基板置于反应器恒温区，氢气气氛中快速升温，控制温度1100℃时导入甲烷并恒温0.5小时，其中氢气与甲烷的体积流量比为1∶1，反应完成后冷却絮状产物，质量0.6844g，是催化剂单质钴质量的20.13倍。扫描电镜观察产物形貌，为毛线状纤维，纯度达92％。
实施例7
将一表面积为4680mm2石墨基板浸渍于20ml的0.5mol/L草酸钴水溶液中，2.5小时后取出室温干燥10小时，160℃继续干燥1小时，得到均匀分布了催化剂的基板，增重0.1086g，计算其中单质钴质量为0.0488g。将此石墨基板置于反应器恒温区，氢气气氛中快速升温，控制温度1150℃时导入甲烷并恒温2.0小时，其中氢气与甲烷的体积流量比为1∶1.4，反应完成后冷却絮状产物，质量0.8993g，是催化剂单质钴质量的18.40倍。扫描电镜观察产物形貌，为毛线状纤维，纯度达90％。
实施例8
将一表面积为4680mm2石墨基板浸渍于20ml的0.2mol/L乙酸钴水溶液中，2小时后取出室温干燥10小时，140℃继续干燥1.5小时，得到均匀分布了催化剂的基板，增重0.0677g，计算其中单质钴质量为0.0223g。将此石墨基板置于反应器恒温区，氢气气氛中快速升温，控制温度1100℃时导入甲烷并恒温1.0小时，其中氢气与甲烷的体积流量比为1∶1.6，反应完成后冷却絮状产物，质量0.5493g，是催化剂单质钴质量的24.60倍。扫描电镜观察产物形貌，为毛线状纤维，纯度达91％。