[发明专利]一种提高纳米碳纤维成型体耐磨性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高纳米粉末成型体耐磨性能的方法，更具体而言涉及一种纳米碳纤维成型体耐磨性能的方法。

背景技术

纳米碳纤维具有独特的力学性能和电性能，在复合材料增强体、电极电器材料、储能材料及吸波材料等方面已显示出广阔的应用前景。同时，纳米碳纤维还具有优异的物理化学性能，应用于催化剂和催化剂载体方面也存在着巨大的潜在效益和理论研究价值。纳米碳纤维作为催化剂载体具有微观结构可控、界面效应强、中孔含量高、机械强度高、杂质含量少、耐酸耐碱耐热等优点。纳米碳纤维的中孔特征有利于内扩散严重的催化反应的进行。纳米碳纤维的石墨基面和边界与负载的金属粒子之间可以通过强相互作用来提高催化反应的转化率和选择性。纳米碳纤维催化剂载体在加氢、脱氢、合成氨、氢甲酰化、脱硫、一氧化氮分解、燃料电池电催化等反应中显示出良好的活性和与活性组分间的协同能力。纳米碳纤维直接作为催化剂可用于乙苯氧化脱氢制苯乙烯的反应。

催化剂成型是制备工业催化剂的主要步骤之一。催化剂成型主要是为了给特定反应提供适宜形状、尺寸和机械强度的粒状催化剂，从而有利于反应器内的传质、传热和流体力学过程，使催化反应与反应器相匹配，充分发挥催化剂的催化活性和选择性。

纳米碳纤维一般以粉末形态存在，不适用于工业催化反应工艺的要求。如应用于工业气固相固定床催化反应器，粉末易被高速气流带走，堵塞下级管路，并造成催化剂损失，而且粉末催化剂床层的气流分布不均，压降较大，造成过多的动力消耗，对催化反应不利；应用于工业液相催化反应器，粉末容易悬浮于反应液中，不易分离，造成催化剂难于回收利用。纳米碳纤维自身成型能力较差，要将纳米碳纤维成型，可以通过添加粘合剂进行模压成型(文献1：李平等，中国专利CN1586714A)。

粒状催化剂机械性能的一个主要指标就是耐磨性能(又称耐磨强度)。催化剂颗粒在装卸、运输、装填过程中颗粒之间会发生碰撞和摩擦，同时催化剂颗粒在使用过程中受到高速流体的冲击，这些过程都会破坏催化剂颗粒表面，使其产生粉尘。催化剂颗粒的耐磨性能就是用产生粉尘量的多少来衡量的。而纳米碳纤维因自团聚性较差，即使通过添加粘合剂进行模压成型，得到的纳米碳纤维成型体仍存在着耐磨强度低的缺点。因此，必须研究提高纳米碳纤维成型体耐磨强度的方法。目前，国内外还没有有关纳米碳纤维成型体耐磨性能的研究报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高纳米碳纤维成型体耐磨性能的方法，以满足工业催化反应的需要。制得的纳米碳纤维成型体具有一定的形状和尺寸，耐磨强度高，并且含有大量的孔道，可以作为催化材料使用。

本发明所述的提高纳米碳纤维成型体耐磨性能的方法，是在纳米碳纤维成型体表面进行涂层处理，涂层主要成分为碳。包括如下步骤：将纳米碳纤维成型体在粘合剂溶液中浸泡一段时间，取出后进行热处理，先在空气气氛中使粘合剂固化，然后在惰性气氛中加热至高温，使粘合剂转化为碳。

术语“涂层”指的是“用物理、化学或其它方法，在基体材料表面形成的一层金属或非金属的覆盖层”(见文献2：胡传忻等编著，涂层技术原理及应用，化学工业出版社，2000年，第1页)。

所述的纳米碳纤维成型体是指采用文献1所用的模压成型的方式得到的；文献1中纳米碳纤维成型体的制备方法为：将纳米碳纤维粉末、粘合剂、和助剂压制成柱状片剂，将得到的片剂在373～573K温度下的空气气氛中加热，接着在惰性气氛中升温至773～1273K并保持2～10h即可。

所述的粘合剂溶液由溶剂与粘合剂组成，溶剂为乙醇、丙酮、异丙醇或聚乙二醇等，用于溶解粘合剂，降低粘合剂黏度，与纳米碳纤维混合时均匀分散粘合剂，并起到改善固体表面性能，增强纳米碳纤维与粘合剂之间接触性能的作用，较好选用乙醇或丙酮；所述的粘合剂为酚醛树脂、聚芳基乙炔、环氧树脂、聚乙烯醇缩丁醛或羧甲基纤维素等，经溶剂溶解后能够与纳米碳纤维较好地接触，较好选酚醛树脂、聚芳基乙炔或聚乙烯醇缩丁醛；上述溶剂与粘合剂之间任选一种组合成粘合剂溶液，如乙醇和酚醛树脂，也可任选两种组合成溶液，再均匀混合成粘合剂溶液，例如乙醇和酚醛树脂组合成一种溶液，丙酮和聚芳基乙炔组合成一种溶液，两种溶液均匀混合成粘合剂溶液，溶液中粘合剂的质量浓度为10％～90％，较好为20％～80％，最好为30％～70％。