[发明专利]一步法在连续碳纤维表面生长纳米碳管

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种在连续碳纤维表面生长纳米碳管，尤其利用催化剂上浆液一步法在 碳纤维表面连续生长纳米碳管。

背景技术

碳纤维依靠其高强度、良好的化学稳定性，是复合材料优良的增强体。碳纤维作为优秀 的复合材料增强体也存在一定的不足。主要为上浆后的碳纤维与复合材料之间的浸润性能差， 造成复合材料的层间剪切强度(ILSS)和面间剪切强度(IFSS)偏低，无法满足对高性能复 合材料的要求。为提高碳纤维与基体的结合强度，对应用于复合材料制备的碳纤维要进行表 面修饰，包括碳纤维表面刻蚀提高表面粗糙度，碳纤维表面化学接枝官能团提高纤维与基体 的化学结合，以及碳纤维表面复合纳米碳管等增强结构。

纳米碳管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多优异的力学、电 学和化学性能。由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成 分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。将碳纤维与纳米碳管进行复合，可以等到高性 能的纤维增强材料。实现碳纤维与纳米碳管复合的方法主要有化学结合与物理结合。物理结 合是将改性后的纳米碳管与碳纤维利用上浆剂结合在一起(CN104131459A)。由于键合作用 不同，化学结合得到碳纤维增强材料性能更佳。化学结合主要利用化学气相沉积的方法实现 纳米碳管在碳纤维表面的生长。为实现纳米碳管在碳纤维表面生长，通常需要对碳纤维表面 进行除桨，但是除桨后的碳纤维的强度会明显降低。

依据催化剂的负载方式的不同，主要方法有固相法和浮游法。

固相法是将碳纤维在催化剂溶液中浸泡后，干燥使得催化剂颗粒负载与碳纤维表面，通 过化学气相沉积在碳纤维表面得到纳米碳管。随着干燥、温度升高催化剂前驱体在纤维表面 容易团聚析出，此时催化剂颗粒超过纳米级，难以生长纳米碳管，此时产物为炭黑。减少催 化剂的团聚，增加催化剂的有效分布是提高纳米碳管生长率的有效途径。

浮游法是将催化剂加热升华为气态，浮游于碳纤维表面，最终沉积并催化反应，得到纳 米碳管。成会明等(成会明.纳米碳管制备、结构、物性及应用[M].化学工业出版社)指出 气态催化剂难以在空间中均匀分布，使得纳米碳管在碳纤维表面生长不均匀。同时，催化剂 在碳纤维表面有效负载率低，造成催化剂的浪费，而且会有多余的炭黑等杂质在反应容器中 产生。

发明内容

本发明的目的是利用催化剂上浆液在碳纤维表面负载纳米碳管生长的催化剂，便于催化 剂均匀分布，防止催化剂在干燥过程中以大颗粒的形式析出。同时，该方法可以在碳纤维表 面连续生长纳米碳管。

本发明的核心内容是含催化剂的上浆液的制备。本发明在提出一种碳纤维表面生长纳米 碳管的同时，提出一种可以有效、均匀分布纳米碳管生长所需催化剂的碳纤维上浆剂。本发 明采用没有上浆处理的碳纤维作为原料，所述方法包括以下几个步骤：

1.制备合适的包含上催化上浆剂溶液，包括催化剂(二茂铁，硝酸镍等)，溶剂(二甲 苯，丙酮)，分散剂(聚乙烯吡咯烷酮，γ-丙基三甲氧基硅烷等)以及环氧树脂等。

2.对纤维进行上浆处理。采用自制上浆槽，对纤维表面上浆处理。

3.对水溶性上浆剂采用干燥处理(有机溶剂处理的纤维可直接进行纳米碳管的生长)。

4.纤维表面进行纳米碳管的生长。通入氮气，氢气和乙炔气体，700℃～850℃进行热处 理。

过渡族的催化剂会与纤维表面的碳元素发生反应，生成金属碳化物，降低纤维的强度。 本发明采用的催化剂上浆剂可以减少催化剂与纤维表面的反应，保证纤维的强度。

本发明的特点：

1.与浮游法在碳纤维表面生长纳米碳管相比，本发明可以保证催化剂的均匀分布，提高 纳米碳管与碳纤维的结合强度。

2.传统的催化剂固相负载方式为催化剂溶液浸泡、干燥、化学气相沉积。由于浸泡于干 燥时间都非常长，不便于碳纤维的连续处理。并且，传统的固相负载方式，催化剂会 在纤维表面以大颗粒的形式析出，使得催化剂失效，不易于纳米碳管的形成。本发明 实现催化剂在碳纤维表面高效负载，便于连续化生产。

附图说明

图1为本发明的工艺路线图。

图2为碳纤维表面生长纳米碳管后的扫描电子图像。

具体实施方式