[发明专利]一种使用木质素磺酸钠与双金属催化剂共同作用在碳纤维上生长碳纳米管的方法

说明书

本发明涉及一种使用木质素与双金属催化剂共同作用在碳纤维上生长碳纳米管的方法。本发明的制备方法包括以下步骤：步骤1：将碳纤维缠放进立式CVD炉中，通入氮气，450℃保温1.5h，目的是去除上浆剂；步骤2：电解，脱浆碳纤维导入电解槽，所用电解液为NH₄H₂PO₄水溶液，电解后水洗并烘干；步骤3：加载催化剂，溶质为硝酸铁、硝酸镍及木质素磺酸钠，溶剂为无水乙醇，然后烘干。步骤4：将碳纤维导入管式炉，通N₂和H₂，炉内温度450℃，时间为5min，目的为还原催化剂，接着将碳纤维导入另一个管式炉中进行碳纳米管的生长，此时通入的气体是N₂、H₂和C₂H₂,长管时间为5min。采用此方法可以克服碳纳米管与碳纤维连接不好的问题，从而提高处理后碳纤维的力学性能。

技术领域

本发明属于碳纤维与碳纳米管多尺度结合体的制备，特别是指与双金属催化剂在碳纤维表面催化生长碳纳米管并用木质素改善碳纤维与碳纳米管联结性的方法。该方法能改善碳纤维的力学性能。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

碳纤维增强聚合物复合材料(CFRPs)具有优异的高比强度，高比模量，轻量化以及耐疲劳耐腐蚀等特点，在航空航天、军事和工业，球拍球杆等体育用品等领域的应用日益广泛。由于碳化过后的碳纤维表面呈惰性，光滑，表面能低，在与树脂基体结合制备CFRPs时，其界面相由于结合性差，在受外力时往往会成为应力集中而发生破坏的首要位置，严重制约了CFRPS的发展与应用。

所以碳纤维复合材料的性能主要决于纤维和基质之间的界面，良好的界面联结为复合材料提供了结构完整性，确保了载荷的有效传递与释放。未处理的碳纤维表面光滑，复合材料在受力时，容易造成碳纤维与基体的脱粘，这限制了其机械性能的进一步提高。近年来，将碳纳米管(CNTs)用化学接枝等方法使其与碳纤维表面形成联结来提高复合材料的力学性能一直比较热门的前沿科技关注点。多尺度增强体复合材料的界面处由于引入了CNTs，增加了碳纤维与树脂的界面结合，同时形成一个过渡的缓冲界面，在受到外力载荷时，可以有效进行应力转移和传递作用，显著提高了CFRPS的力学性能。另外，由于CNTs本身自带的优异力学性能、电学性能和热学性能等，因此也赋予了CFRP较多的特性，使用范围更为广泛。

而通过实践已知化学气相沉积(CVD)法能够在碳纤维表面生长出碳纳米管。

在碳纤维表面生长碳纳米管的原理是C₂H₂等碳源气体会受金属单质的催化作用，裂解出碳原子，碳原子在金属颗粒的催化下扩散，以顶端生长的方式长出碳纳米管。而金属单质的获得首先要在碳纤维上加载金属化合物，然后通入氢气进行还原，获得金属单质。

郑林宝等人(连续化碳纤维表面生长碳纳米管及其结构性能研究[D].山东大学,2018.)以硝酸钴为催化剂，采用甲烷为碳源，以氩气为保护气，650℃下沉积10min，在碳纤维表面生长出了碳纳米管，提高了碳纤维的石墨化程度。

中国专利文件CN102199872A公开了一种纤维表面原位生长碳纳米管的方法。以乙醇或丙酮等为碳源，以二茂铁为催化剂，硫磺、噻吩等含硫物质为助催化剂，用氢气或氢气与其他惰性气体的混合气为载气，合成了碳纳米管。此方法需要在600-1000℃的高温下才能合成，并且反应装置用的是卧式电炉，无法大规模生产样品。

发明内容