[发明专利]一种直接火焰碳沉积制备碳纤维丝的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维的制备方法，具体涉及一种利用直接火焰获得碳纤维丝的简便方法。

背景技术

碳纤维是一种新型的一维碳材料，碳纤维具有许多优异的物理性能、力学性能和化学稳定性，如高的机械强度和杨氏模量，耐腐蚀性好以及良好的导电导热性能等，因此受到广泛的关注和应用。当前，碳纳米纤维的制备方法主要有两种方法：一是热化学气相沉积生长，另一种是静电纺丝法。热化学气相沉积制备碳纳米纤维需要加入金属或合金来溶解碳以形成金属碳化物，此碳化物用来作催化剂。另外还要加入甲烷、一氧化碳、混合气体(H₂/CO)、乙炔或乙烯作为碳源，温度范围为700～1200K。通常，碳纳米纤维的结构都受催化剂颗粒的尺寸和形状的限制，而且化学气相沉积存在重复性差、过程不易控制以及高耗能等缺点。碳纳米纤维也可以由静电纺丝方法来制作，其最后的特性由聚合物溶液和过程参数决定，静电纺丝过程的参数对碳纳米纤维的形貌、纯度、结晶性、直径和孔隙率有重要影响，而且静电纺丝过程中需要高压电源。由此可见，化学气相沉积和静电纺丝方法来制作碳纤维对工艺和设备的要求都很高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有制备碳纤维的方法复杂，对生产设备要求较高，而且产品的产率较低的问题，而提供一种直接火焰碳沉积制备碳纤维丝的方法。

本发明直接火焰碳沉积制备碳纤维丝的方法按下列步骤实现：

一、将催化剂剪切成型，然后使用无水乙醇清洗干净，晾干后得到清洗后的催化剂；

二、将碳氢燃料气罐通过通气管连接到燃烧器上，多孔承载件固定在燃烧器喷口的上方，控制多孔承载件和燃烧器喷口之间的距离为3～10cm，然后将清洗后的催化剂置于多孔承载件上，完成制备设备的组装；

三、点燃燃烧器，调整燃烧器的火焰温度为550～850℃，将清洗后的催化剂放置在燃烧的火焰中进行灼烧处理，在催化剂上生长碳纤维丝，完成碳纤维丝的制备；

其中步骤一所述的催化剂为铁族元素材料、贵金属材料或复合氧化物材料，铁族元素为Ni、Fe或Co，贵金属为金、银、钌、铑、钯、锇、铱或铂，复合氧化物材料的通式为ABO₃或A₂BO₄，A为镧系稀土元素或碱土元素，B为过渡金属元素。

本发明火焰直接碳沉积法制备碳纤维的方法所用原料包括碳氢燃料和催化剂两部分，碳氢燃料燃烧火焰提供碳沉积所需要的碳源和热源。整个反应体系为一个开放式体系，催化剂置于碳氢燃料火焰中，使得火焰燃烧过程中的碳迅速沉积到催化剂表面，获得所需碳纤维。

本发明直接火焰碳沉积制备碳纤维丝的方法和现有方法相比具有以下的优点：

1、本发明中碳氢燃料产生的火焰同时发挥两个作用，一是提供碳沉积的温度(500～850℃)，另一个是提供产生碳纤维丝的碳氢反应气体，利用催化剂在火焰中的催化作用，直接生长碳纤维丝，具有结构简单、制备方便的优点；

2、火焰直接碳沉积方法制作碳纤维不涉及特殊的技术工艺，如静电纺丝中所需的高压电源，对设备的要求低，成本低廉；

3、整个制备工艺结构紧凑，空间利用率高，便于实现大规模的商业化生产。

附图说明

图1是实施例一中步骤一清洗后的泡沫镍的扫描电镜(SEM)图；

图2是实施例一泡沫镍在液化石油气火焰中处理4h后的SEM图；

图3是实施例二泡沫镍在酒精灯火焰中处理40min后的SEM图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式直接火焰碳沉积制备碳纤维丝的方法按下列步骤实现：

一、将催化剂剪切成型，然后使用无水乙醇清洗干净，晾干后得到清洗后的催化剂；

二、将碳氢燃料气罐通过通气管连接到燃烧器上，多孔承载件固定在燃烧器喷口的上方，控制多孔承载件和燃烧器喷口之间的距离为3～10cm，然后将清洗后的催化剂置于多孔承载件上，完成制备设备的组装；

三、点燃燃烧器，调整燃烧器的火焰温度为550～850℃，将清洗后的催化剂放置在燃烧的火焰中进行灼烧处理，在催化剂上生长碳纤维丝，完成碳纤维丝的制备；

其中步骤一所述的催化剂为铁族元素材料、贵金属材料或复合氧化物材料，铁族元素为Ni、Fe或Co，贵金属为金、银、钌、铑、钯、锇、铱或铂，复合氧化物材料的通式为ABO₃或A₂BO₄，A为镧系稀土元素或碱土元素，B为过渡金属元素。