一种六枝结构碳纤维的制备方法与流程

本发明涉及一种六枝结构碳纤维的制备方法，属于碳纤维制备技术领域。

背景技术

碳纤维是碳元素的同素异形体之一，其在诸多方面均具有优异的性质和性能，例如：物理、化学、磁学、力学等方面，这意味着碳纤维在众多应用领域中具有广泛而重要的发展前景，例如：航空航天、军事工业、汽车工业、海洋船舶、风力发电、体育休闲产品、公共基础设施等方面。在材料自身具有的优异性质性能基础上，通过对材料结构特征的调控可以进一步提升其应用效果，拓宽其应用领域。因此，在充分研究和了解碳纤维自身具有的优异特点和性能的同时，通过对制备方法种类和工艺参数数据的分析和研究，以制备得到具有新型结构的碳纤维。

化学气相沉积法是气相生长碳纤维的一种重要制备方法，该方法具有操作程序简单易上手，产物重复率高、生产规模易扩大等优点,因此，化学气相沉积法是一种工业产业化前景光明的碳纤维生产方法。

在本专利中，利用高分子聚合物三维结构对铜催化剂粒子的分散状态进行固定，减少因催化剂粒子聚集长大而引起的催化效能损失，以乙炔为碳源气体，利用化学气相沉积法制备得到了一种六枝结构碳纤维，其分支结构可以极大拓宽其应用领域并提升其应用效果，因此，该结构碳纤维的成功制备对碳纤维的研究探索和实际应用具有一定的理论和实践意义。

技术实现要素：

1、一种六枝结构碳纤维的制备方法，其特征在于利用水热法及后续热处理制备催化剂前驱体，然后通过化学气相沉积法制备得到了一种具有六枝结构的碳纤维，整个制备过程操作简单，产物纯度高，该方法主要包括如下步骤：

(1)将适量氯化铜和柠檬酸钠溶解于去离子水中并搅拌均匀，再加入一定量聚丙烯酰胺溶液(5％，质量比)、间苯二酚、甲醛(37％-40％，质量比)和盐酸(3m，摩尔比)，在室温下搅拌2小时后得到均匀溶液。

(2)将上述混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，然后将其置于高压釜中密封，将高压釜放入已升至设定温度的烘箱中保温一定时间，反应结束后自然冷却至室温，得到了氯化铜/交联聚丙烯酰胺复合物，然后对其进行-40℃条件下的冷冻干燥。

(3)将冷冻干燥后的样品置于管式炉中，通氮气30min置换掉管内的空气，其流速为100ml/min，以1℃/min的升温速率升温至800℃，保持2小时，此时氮气的流速降为50ml/min。当反应结束后，自然冷却至室温后收集产物，得到了催化剂前驱体。

(4)将载有适量催化剂前驱体的瓷舟置于管式炉中并抽真空，然后通入氢气至大气压，升温至反应温度并保持一定时间，随后将管中氢气抽掉，通入乙炔气体至大气压并保持一定反应时间，反应结束后，自然冷却至室温，取出最终产物。

附图说明

图1为六枝结构碳纤维的扫描电镜照片。由该图可以观察到六枝结构的碳纤维以催化剂粒子为中心，六根碳纤维同时向外辐射生长。

图2为六枝结构碳纤维的xrd谱图。根据对xrd谱图的分析，可以确定碳纤维和金属铜催化剂(jcpds04-0836)。在该谱图中，没有其他衍射峰的出现。

具体实施方式

具体实施方式一：

(1)将0.3g氯化铜和0.69g柠檬酸钠溶解于30ml去离子水中并搅拌均匀，再加入20ml聚丙烯酰胺溶液(5％，质量比)、0.3g间苯二酚、16μl甲醛(37％-40％，质量比)和300μl盐酸(3m，摩尔比)，在室温下搅拌2小时后得到均匀溶液。

(2)将上述均匀溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，并密封于高压釜中，将其放入已升至130℃的烘箱中保温15h，反应结束后自然冷却至室温，得到了氯化铜/交联聚丙烯酰胺复合物，随后对其进行-40℃条件下的冷冻干燥。

(3)将冷冻干燥后的样品置于管式炉中，通氮气30min以排除管中空气，其流速为100ml/min，然后以1℃/min的升温速率升温至800℃时保持2h，氮气流速为50ml/min。反应结束后，自然冷却至室温后收集产物，得到了催化剂前驱体。

(4)将载有催化剂前驱体的瓷舟置于管式炉中并抽真空，然后通入氢气至大气压，升温至270℃后保持10min，随后将氢气抽掉，通入乙炔气体至大气压并保持20min，反应结束后，自然冷却至室温，取出最终目标产物。

具体实施方式二：

(1)将0.3g氯化铜和0.69g柠檬酸钠溶解于30ml去离子水中并搅拌均匀，再加入20ml聚丙烯酰胺溶液(5％，质量比)、0.3g间苯二酚、16μl甲醛(37％-40％，质量比)和300μl盐酸(3m，摩尔比)，在室温下搅拌2小时后得到均匀溶液。

(2)将上述均匀溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，并密封于高压釜中，将其放入已升至130℃的烘箱中保温18h，反应结束后自然冷却至室温，得到了氯化铜/交联聚丙烯酰胺复合物，随后对其进行-40℃条件下的冷冻干燥。

(3)将冷冻干燥后的样品置于管式炉中，通氮气30min以排除管中空气，其流速为100ml/min，然后以1℃/min的升温速率升温至800℃时保持2h，氮气流速为50ml/min。反应结束后，自然冷却至室温后收集产物，得到了催化剂前驱体。

(4)将载有催化剂前驱体的瓷舟置于管式炉中并抽真空，然后通入氢气至大气压，升温至290℃后保持10min，随后将氢气抽掉，通入乙炔气体至大气压并保持15min，反应结束后，自然冷却至室温，取出最终目标产物。

具体实施方式三：

(1)将0.3g氯化铜和0.69g柠檬酸钠溶解于30ml去离子水中并搅拌均匀，再加入20ml聚丙烯酰胺溶液(5％，质量比)、0.3g间苯二酚、16μl甲醛(37％-40％，质量比)和300μl盐酸(3m，摩尔比)，在室温下搅拌2小时后得到均匀溶液。

(2)将上述均匀溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，并密封于高压釜中，将其放入已升至130℃的烘箱中保温15h，反应结束后自然冷却至室温，得到了氯化铜/交联聚丙烯酰胺复合物，随后对其进行-40℃条件下的冷冻干燥。

(3)将冷冻干燥后的样品置于管式炉中，通氮气30min以排除管中空气，其流速为100ml/min，然后以1℃/min的升温速率升温至800℃时保持2h，氮气流速为50ml/min。反应结束后，自然冷却至室温后收集产物，得到了催化剂前驱体。

(4)将载有催化剂前驱体的瓷舟置于管式炉中并抽真空，然后通入氢气至大气压，升温至290℃后保持15min，随后将氢气抽掉，通入乙炔气体至大气压并保持15min，反应结束后，自然冷却至室温，取出最终目标产物。

具体实施方式四：

(1)将0.3g氯化铜和0.75g柠檬酸钠溶解于40ml去离子水中并搅拌均匀，再加入24ml聚丙烯酰胺溶液(5％，质量比)、0.4g间苯二酚、18μl甲醛(37％-40％，质量比)和350μl盐酸(3m，摩尔比)，在室温下搅拌2小时后得到均匀溶液。

(2)将上述均匀溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，并密封于高压釜中，将其放入已升至150℃的烘箱中保温18h，反应结束后自然冷却至室温，得到了氯化铜/交联聚丙烯酰胺复合物，随后对其进行-40℃条件下的冷冻干燥。

(3)将冷冻干燥后的样品置于管式炉中，通氮气30min以排除管中空气，其流速为100ml/min，然后以1℃/min的升温速率升温至800℃时保持2h，氮气流速为50ml/min。反应结束后，自然冷却至室温后收集产物，得到了催化剂前驱体。

(4)将载有催化剂前驱体的瓷舟置于管式炉中并抽真空，然后通入氢气至大气压，升温至270℃后保持10min，随后将氢气抽掉，通入乙炔气体至大气压并保持20min，反应结束后，自然冷却至室温，取出最终目标产物。

具体实施方式五：

(1)将0.3g氯化铜和0.75g柠檬酸钠溶解于40ml去离子水中并搅拌均匀，再加入24ml聚丙烯酰胺溶液(5％，质量比)、0.4g间苯二酚、18μl甲醛(37％-40％，质量比)和350μl盐酸(3m，摩尔比)，在室温下搅拌2小时后得到均匀溶液。

(2)将上述均匀溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，并密封于高压釜中，将其放入已升至150℃的烘箱中保温18h，反应结束后自然冷却至室温，得到了氯化铜/交联聚丙烯酰胺复合物，随后对其进行-40℃条件下的冷冻干燥。

(3)将冷冻干燥后的样品置于管式炉中，通氮气30min以排除管中空气，其流速为100ml/min，然后以1℃/min的升温速率升温至800℃时保持2h，氮气流速为50ml/min。反应结束后，自然冷却至室温后收集产物，得到了催化剂前驱体。

(4)将载有催化剂前驱体的瓷舟置于管式炉中并抽真空，然后通入氢气至大气压，升温至270℃后保持10min，随后将氢气抽掉，通入乙炔气体至大气压并保持30min，反应结束后，自然冷却至室温，取出最终目标产物。

具体实施方式六：

(1)将0.3g氯化铜和0.75g柠檬酸钠溶解于40ml去离子水中并搅拌均匀，再加入24ml聚丙烯酰胺溶液(5％，质量比)、0.4g间苯二酚、18μl甲醛(37％-40％，质量比)和350μl盐酸(3m，摩尔比)，在室温下搅拌2小时后得到均匀溶液。

(2)将上述均匀溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，并密封于高压釜中，将其放入已升至150℃的烘箱中保温18h，反应结束后自然冷却至室温，得到了氯化铜/交联聚丙烯酰胺复合物，随后对其进行-40℃条件下的冷冻干燥。

(3)将冷冻干燥后的样品置于管式炉中，通氮气30min以排除管中空气，其流速为100ml/min，然后以1℃/min的升温速率升温至800℃时保持2h，氮气流速为50ml/min。反应结束后，自然冷却至室温后收集产物，得到了催化剂前驱体。

(4)将载有催化剂前驱体的瓷舟置于管式炉中并抽真空，然后通入氢气至大气压，升温至300℃后保持15min，随后将氢气抽掉，通入乙炔气体至大气压并保持30min，反应结束后，自然冷却至室温，取出最终目标产物。

具体实施方式七：

(1)将0.3g氯化铜和0.75g柠檬酸钠溶解于40ml去离子水中并搅拌均匀，再加入24ml聚丙烯酰胺溶液(5％，质量比)、0.4g间苯二酚、18μl甲醛(37％-40％，质量比)和350μl盐酸(3m，摩尔比)，在室温下搅拌2小时后得到均匀溶液。

(2)将上述均匀溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，并密封于高压釜中，将其放入已升至150℃的烘箱中保温15h，反应结束后自然冷却至室温，得到了氯化铜/交联聚丙烯酰胺复合物，随后对其进行-40℃条件下的冷冻干燥。

(3)将冷冻干燥后的样品置于管式炉中，通氮气30min以排除管中空气，其流速为100ml/min，然后以1℃/min的升温速率升温至800℃时保持2h，氮气流速为50ml/min。反应结束后，自然冷却至室温后收集产物，得到了催化剂前驱体。

(4)将载有催化剂前驱体的瓷舟置于管式炉中并抽真空，然后通入氢气至大气压，升温至270℃后保持15min，随后将氢气抽掉，通入乙炔气体至大气压并保持30min，反应结束后，自然冷却至室温，取出最终目标产物。

具体实施方式八：

(1)将0.3g氯化铜和0.75g柠檬酸钠溶解于40ml去离子水中并搅拌均匀，再加入24ml聚丙烯酰胺溶液(5％，质量比)、0.4g间苯二酚、18μl甲醛(37％-40％，质量比)和350μl盐酸(3m，摩尔比)，在室温下搅拌2小时后得到均匀溶液。

(2)将上述均匀溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，并密封于高压釜中，将其放入已升至150℃的烘箱中保温15h，反应结束后自然冷却至室温，得到了氯化铜/交联聚丙烯酰胺复合物，随后对其进行-40℃条件下的冷冻干燥。

(3)将冷冻干燥后的样品置于管式炉中，通氮气30min以排除管中空气，其流速为100ml/min，然后以1℃/min的升温速率升温至800℃时保持2h，氮气流速为50ml/min。反应结束后，自然冷却至室温后收集产物，得到了催化剂前驱体。

(4)将载有催化剂前驱体的瓷舟置于管式炉中并抽真空，然后通入氢气至大气压，升温至320℃后保持15min，随后将氢气抽掉，通入乙炔气体至大气压并保持20min，反应结束后，自然冷却至室温，取出最终目标产物。