[发明专利]一种螺旋状纳米碳纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种螺旋状纳米碳纤维的制备方法，属于碳纤维制备技术领域。本发明采用液相还原法合成粒径、摩尔比可控的Ni－P复合催化剂，在制备螺旋状纳米碳纤维时，不需要使用任何助催化剂即可制备出形貌良好的螺旋状纳米碳纤维，简化了制备过程，缩短了制备时间，避免了助催化剂控制不好不利于螺旋纳米碳纤维的成型的问题。此外，本发明将Ni－P复合催化剂氧化后，提高了催化剂的活性，被氧化后的Ni－P复合催化剂的表面具有许多微纳米孔，使其对光的反射率大大降低，相对于未被氧化的Ni－P复合催化剂，增加了产品的产量，并且产品变得蓬松，黑度较高。

技术领域

本发明涉及碳纤维制备技术领域，具体涉及一种螺旋状纳米碳纤维的制备方法。

背景技术

自从1912年，S.C.莫特发现炭黑对橡胶的补强作用之后，炭黑对橡胶的补强性便成为轮胎应用领域的研究热点，至今炭黑还居填充材料的主导地位。研究表明，未添加炭黑的轮胎使用寿命为0.5万公里左右，而添加炭黑补强后使用寿命达到了12－15万公里。轮胎滚动阻力每下降3％～5％，汽车就可节油1％。

无论是高结构炭黑开发，还是表面改性炭黑研究，均以“提高炭系填料表面活性以增强橡胶/填料界面作用”为出发点。这些新品种炭黑并未改变常规补强炭黑所内在的“球形原生粒子”形态结构特征，其提高补强橡胶性能的幅度上是有限的，必须寻求新的补强填料来满足绿色轮胎所提出的更高性能要求。纳米螺旋碳(包括纳米螺旋管和纳米螺旋纤维)作为一种具有特殊结构的纳米碳，在具备直碳纳米管本征优异性能的同时也具有其螺线状结构带来的优势。螺旋状碳材料有许多结构如二维平面结构如分枝状结构、弹簧状结构、螺旋结构和线圈结构等。如果用纳米螺旋碳补强橡胶，混合时螺旋打开与收缩有可能缠绕住更多橡胶分子链，带来额外的补强效应，还可避免直碳纳米管刚性强、容易脆性断裂的缺点。

国内纳米螺旋碳的制备还处在实验室研究阶段，属间歇式制备，耗时长，产率低，无法满足工业化应用需求。大多研究者采用铁、钴、镍等作为催化剂，但这些催化剂大多需要通过噻吩等含硫的溶液，使硫元素作为助催化剂才能制备出螺旋纳米碳纤维，但硫含量不好控制，过多过少都不利于螺旋纳米碳纤维的成型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺旋状纳米碳纤维的制备方法，在不需要使用助催化剂即可制得形貌良好的螺旋状纳米碳纤维。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种螺旋状纳米碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备Ni－P复合催化剂粉末；

(2)取Ni－P复合催化剂粉末于烧杯中，加入氧化剂，搅拌氧化40～60s，并将粉末过滤、洗涤得到多孔Ni－P复合催化剂粉末；

(3)将多孔Ni－P复合催化剂粉末放入无水乙醇中超声分散后，用滴管使其均匀分散到碳纸上，待其干燥后放入管式炉中，在惰性气氛下，调节管式炉内温度以5℃/min～6℃/min的速度升温至700℃～750℃，通入氢气，保持20分钟，然后通入碳源气体，保持30～40分钟，反应结束后，在惰性气氛下冷却至室温，即得螺旋状纳米碳纤维。

本发明采用的Ni－P复合催化剂在制备螺旋状纳米碳纤维时，不需要使用任何助催化剂即可制备出形貌良好的螺旋状纳米碳纤维，简化了制备过程，缩短了制备时间，避免了助催化剂控制不好不利于螺旋纳米碳纤维的成型的问题。此外，将Ni－P复合催化剂氧化后，提高了催化剂的活性，被氧化后的Ni－P复合催化剂的表面具有许多微纳米孔，使其对光的反射率大大降低，相对于未被氧化的Ni－P复合催化剂，增加了产品的产量，并且产品变得蓬松，黑度较高。

进一步地，上述Ni－P复合催化剂粉末的制备方法包括以下步骤：

(1)将硫酸镍和次亚磷酸钠共同溶于去离子水中，并使溶液温度保持在40℃～50℃；

(2)取聚乙烯吡咯烷酮加入溶液中并充分搅拌分散；