用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置及方法与流程

文档序号:15627336发布日期:2018-10-09 23:22

本发明属于碳纳米管的制备领域,具体涉及用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置及方法。



背景技术:

碳纤维布增强树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、密度低、导热性好、热膨胀系数小等优异的性能,有着十分广阔的应用前景。但由于碳纤维布表面光滑且表面能较低,与基体树脂的界面粘合力较弱,复合材料受力时,碳纤维布与基体树脂容易发生脱粘,这一缺陷很大程度上限制了碳纤维布增强复合材料力学性能的提高。碳纳米管具有优秀的力学、电学性能,拉伸强度高达30GPa,可以作为二次增强体来提高碳纤维布增强树脂基复合材料的力学性能和导电导热性能。

目前常用化学气相沉积等方法在碳纤维布表面加载碳纳米管来改善其光滑表面,提高碳纤维布与树脂的界面结合能力,但目前的研究多局限于少量的碳纤维布样品,效率较低,尚未实现在大面积碳纤维布表面生长碳纳米管,无法进行大规模的工业化生产,同时碳纤维布表面生长得到的碳纳米管不均匀,制约着本实验领域的发展。



技术实现要素:

本发明要解决的技术问题是提供一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置及方法,克服目前技术中无法在大面积碳纤维布表面进行均匀生长碳纳米管的难题,达到大规模生产的工业化目的。

为解决上述技术问题,本发明提供技术方案如下:

一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置,包括真空反应室和水电组件;

所述真空反应室的顶端设置相互连接的多孔抽气管道和抽气组件,所述多孔抽气管道上均匀开有4个抽气孔,所述抽气组件包括真空泵;

所述真空反应室的底端向上5cm处设置气体分流板,所述气体分流板上开有8-10个圆孔;

所述真空反应室的底端设置有供气组件,所述供气组件包括一条与进气口相连的主管道;

所述真空反应室的内壁设置有压力传感装置和热电偶;

所述真空反应室的内部设置有支架;

所述水电组件包括水循环系统,循环水冷凝器和电路控制系统。

进一步的,所述真空反应室为石墨材质,所述多孔抽气管道和气体分流板为不锈钢材质。

进一步的,所述多孔抽气管道为圆环形管道,所述抽气孔为直径1cm的圆孔。

进一步的,所述主管道包括三条副管道。

本发明还提供一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的方法,包括以下步骤:

步骤1:将脱浆后负载催化剂前驱体溶液的碳纤维布缠绕在支架上放入真空反应室;

步骤2:将真空反应室在惰性气体氛围下升温至还原温度;

步骤3:向步骤2中的真空反应室中通入氢气进行催化剂的还原;

步骤4:还原结束后,使真空反应室在惰性气体氛围下升温至生长温度;

步骤5:向步骤4中的真空反应室中通入碳源混合气体进行碳纳米管的生长。

进一步的,所述步骤1中脱浆的温度为400-500℃,催化剂前驱体为Co、Ni、Cu的盐溶液中的一种或多种,真空反应室的压力为0.01-0.03Mpa。

进一步的,所述步骤2中的还原温度为400-500℃。惰性气体为氮气或氩气。

进一步的,所述步骤3中的氢气流量为6-10L/min,还原的时间为30min-60min。

进一步的,所述步骤4中的生长温度为600-700℃。惰性气体为氮气或氩气。

进一步的,所述步骤5中的碳源混合气体为烃类化合物、氢气和氮气;所述烃类化合物气体的流量为5-10L/min,氢气的流量5-10L/min,氮气的流量10-20L/min。

本发明具有以下有益效果:

本发明能克服现有技术的不足,所提供的用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置设有气体分散装置,通过分流板和多孔抽气管道实现了碳源气体在炉腔内的均匀分布,解决了在大面积碳纤维布上生长碳纳米管不均匀的问题;使用本发明的用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的方法能够在大面积碳纤维布表面均匀生长碳纳米管,达到大规模生产的工业化目的。而且过程操作简单,提高了碳纤维布/碳纳米管多尺度增强体的性能。

附图说明

图1为本发明的用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置的结构示意图;

图2为本发明的在碳纤维布表面均匀生长碳纳米管后制得的碳纤维布/碳纳米管多尺度增强体的扫描电镜图片;

图3为本发明的用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置及方法,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

一方面,本发明提供一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置,如图1,包括真空反应室5和水电组件;

真空反应室5的顶端设置相互连接的多孔抽气管道1和抽气组件,多孔抽气管道1上均匀开有4个抽气孔,抽气组件包括真空泵2;

真空反应室5的底端向上5cm处设置气体分流板6,气体分流板6上开有8-10个圆孔;

真空反应室5的底端设置有供气组件,供气组件包括一条与进气口7相连的主管道11;

真空反应室5的内壁设置有压力传感装置4和热电偶;

真空反应室5的内部设置有支架3;

水电组件包括水循环系统,循环水冷凝器和电路控制系统。

本发明的用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置,设有气体分散装置,其中气体分流板6上设置的圆孔将气体均匀通入真空反应室5,多孔抽气管道1用于将气体均匀抽出,从而实现了碳源气体在炉腔内的均匀分布,解决了在大面积碳布上生长碳纳米管不均匀的问题。加上其他设置,如压力传感装置4和热电偶用于即时监测反应室内的温度和压力;水电组件能较好的控制实验中真空反应室5的升温和冷却;这些都为下一步制备复合材料提供了很好的基础。

作为本发明的进一步改进,真空反应室5为石墨材质,所述多孔抽气管道1和气体分流板6为不锈钢材质。石墨材质耐高温性、导热性好,不锈钢材质耐热、耐高温,且可成型性好。

进一步的,多孔抽气管道1为圆环形管道,所述抽气孔为直径1cm的圆孔;圆孔的设置有利于将气体均匀抽出,从而使气体在真空反应室内均匀分布。

优选的,主管道11包括三条副管道8、9、10,副管道分别与各储气瓶相接,分别用于向真空反应室内输送氢气、惰性气体和碳源混合气体。

本发明的装置的操作简单实用,将脱浆后负载催化剂前驱体溶液的碳纤维布缠绕在支架3上放入真空反应室5,在碳纤维布表面均匀生长碳纳米管之前,首先开启真空泵2将真空反应室5内空气抽净,然后打开副管道9向真空反应室5内通入惰性气体,调整气流流量至合适范围,使真空反应室内为惰性气体气氛,随后设定温度程序,通过调整不同的生长温度、生长时间和气体流量进行不同工艺参数的实验。

另一方面,本发明还提供一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的方法,在以下实施例中说明。

实施例1

一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的方法,包括以下步骤:

步骤1:将脱浆后负载催化剂前驱体溶液的碳纤维布缠绕在支架上放入真空反应室;其中脱浆的温度为400℃,催化剂前驱体为Co的盐溶液,真空反应室的压力为0.01Mpa。

步骤2:将真空反应室在惰性气体氛围下升温至还原温度;其中还原温度为400℃。惰性气体为氮气。

步骤3:向步骤2中的真空反应室中通入氢气进行催化剂的还原;其中氢气流量为6L/min,还原的时间为30min。

步骤4:还原结束后,使真空反应室在惰性气体氛围下升温至生长温度;其中生长温度为600℃。惰性气体为氮气。

步骤5:向步骤4中的真空反应室中通入碳源混合气体进行碳纳米管的生长;其中碳源混合气体为烃类化合物、氢气和氮气;所述烃类化合物气体的流量为5L/min,氢气的流量5L/min,氮气的流量10L/min。

生长10min后真空反应室在氮气氛围下进行降温冷却,得到碳纤维布/碳纳米管多尺度增强体。

实施例2

一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的方法,包括以下步骤:

步骤1:将脱浆后负载催化剂前驱体溶液的碳纤维布缠绕在支架上放入真空反应室;其中脱浆的温度为450℃,催化剂前驱体为Ni的盐溶液,真空反应室的压力为0.02Mpa。

步骤2:将真空反应室在惰性气体氛围下升温至还原温度;其中还原温度为400℃。惰性气体为氩气。

步骤3:向步骤2中的真空反应室中通入氢气进行催化剂的还原;其中氢气流量为8L/min,还原的时间为60min。

步骤4:还原结束后,使真空反应室在惰性气体氛围下升温至生长温度;其中生长温度为600℃。惰性气体为氩气。

步骤5:向步骤4中的真空反应室中通入碳源混合气体进行碳纳米管的生长;其中碳源混合气体为烃类化合物、氢气和氮气;所述烃类化合物气体的流量为8L/min,氢气的流量8L/min,氮气的流量15L/min。

生长10min后真空反应室在氮气氛围下进行降温冷却,得到碳纤维布/碳纳米管多尺度增强体。

实施例3

一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的方法,包括以下步骤:

步骤1:将脱浆后负载催化剂前驱体溶液的碳纤维布缠绕在支架上放入真空反应室;其中脱浆的温度为500℃,催化剂前驱体为Cu的盐溶液,真空反应室的压力为0.03Mpa。

步骤2:将真空反应室在惰性气体氛围下升温至还原温度;其中还原温度为450℃。惰性气体为氩气。

步骤3:向步骤2中的真空反应室中通入氢气进行催化剂的还原;其中氢气流量为10L/min,还原的时间为60min。

步骤4:还原结束后,使真空反应室在惰性气体氛围下升温至生长温度;其中生长温度为600℃。惰性气体为氩气。

步骤5:向步骤4中的真空反应室中通入碳源混合气体进行碳纳米管的生长;其中碳源混合气体为烃类化合物、氢气和氮气;所述烃类化合物气体的流量为10L/min,氢气的流量10L/min,氮气的流量20L/min。

生长5min后真空反应室在氮气氛围下进行降温冷却,得到碳纤维布/碳纳米管多尺度增强体。

实施例4

一种用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的方法,包括以下步骤:

步骤1:将脱浆后负载催化剂前驱体溶液的碳纤维布缠绕在支架上放入真空反应室;其中脱浆的温度为500℃,催化剂前驱体为Co的盐溶液,真空反应室的压力为0.03Mpa。

步骤2:将真空反应室在惰性气体氛围下升温至还原温度;其中还原温度为450℃。惰性气体为氮气。

步骤3:向步骤2中的真空反应室中通入氢气进行催化剂的还原;其中氢气流量为10L/min,还原的时间为60min。

步骤4:还原结束后,使真空反应室在惰性气体氛围下升温至生长温度;其中生长温度为700℃。惰性气体为氮气。

步骤5:向步骤4中的真空反应室中通入碳源混合气体进行碳纳米管的生长;其中碳源混合气体为烃类化合物、氢气和氮气;所述烃类化合物气体的流量为10L/min,氢气的流量10L/min,氮气的流量20L/min。

生长10min后真空反应室在氮气氛围下进行降温冷却,得到碳纤维布/碳纳米管多尺度增强体。

从装置与实施例1-4的结合得到的碳纤维布/碳纳米管多尺度增强体来看,如图2,碳纤维布表面生长出均匀分布、排列整齐的碳纳米管,而且碳纳米管的管径较小,分布较窄,集中在20nm左右。生长温度控制在600℃,生长时间控制在10min时,当催化剂的还原温度为450℃时,还原时间为30min的条件下,碳纤维布表面的催化剂前驱体基本被还原成为粒径大小为20nm左右的催化剂颗粒,进一步在碳纤维布表面催化生长出碳纳米管;当催化剂的还原时间延长至60min时,碳纤维布表面的催化剂前驱体被还原的更加充分,纤维束表面催化剂颗粒分布均匀、规整,进而生长出的碳纳米管形貌更好,且分布更加均匀。

碳纤维表面生长碳纳米管需要一定的温度条件,因为碳源的裂解需要在一定的温度下进行,控制生长时间为10min时,当生长温度为600℃时,碳纤维布表面生长出分布均匀的碳纳米管,说明在这个温度下,催化剂能够获得活性并发挥出催化效果,而生长温度升高到700℃时,碳纳米管的数量有所增加,这是由于温度较高时,碳源催化裂解速度加快,活性碳原子的浓度增加,从而在碳纤维布表面生长出更加均匀致密的碳纳米管。

将催化剂的还原时间控制在60min时,在生长温度为600℃,生长时间为5min的条件下,碳纤维布表面生长出均匀的碳纳米管,管径在20nm左右,长度在400nm左右;当生长时间延长至10min时,碳纤维布表面的碳纳米管数量更多,且碳纳米管长度增加到600-700nm,这是由于随着生长时间的增加,碳源气体不断地裂解成为活性碳原子,碳纤维布表面的催化剂颗粒被充分利用,催化出更多数量的碳纳米管,已经生长出的碳纳米管顶端催化剂仍然具有催化活性,继续催化沉积活性碳原子,因此碳纳米管的长度增加。

本发明提供的用于碳纤维布表面均匀生长碳纳米管的装置及方法,能够克服现有技术的约束,在碳纤维布表面均匀生长出碳纳米管,达到大规模生产的工业化目的,实验过程如图3。对于碳纤维布表面碳纳米管的生长,目前通常是使用管式炉进行,每次只能进行少量实验,效率较低,且存在生长不均匀的问题,无法实现大规模的工业化生产。首先,本发明使用大容积化学气相沉积装置,将碳纤维布缠绕在特定支架上,使碳源气体在高温裂解后产生的活性碳原子穿过碳纤维布并在表面沉积生长碳纳米管,从而实现在大面积碳纤维布上生长碳纳米管。其次,本发明通过设置气体分散装置,包括位于真空反应室底部的气体分流板以及位于真空反应室上部的多孔抽气管道,使气体在真空反应室内均匀分布。其中气体分流板用于将主管道进气口通入的气体均匀分散,而多孔抽气管道上均匀开有四个抽气孔,用于将气体均匀抽出,从而实现了碳纤维布表面碳纳米管的均匀生长,为下一步制备复合材料提供了很好的基础。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

再多了解一些
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