一种利用CO2连续制备碳纳米管纤维的方法

一种利用co2连续制备碳纳米管纤维的方法
技术领域
1.本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种利用co2连续制备碳纳米管纤维的方法。


背景技术：

2.碳纳米管可以看作是石墨烯卷曲而成的单层或多层圆柱体。碳纳米管自1991年被发现以来，由于其独特的高强度，高导电性，良好的导热性等性能，以及他在医学领域上的应用，一直被科学家广泛关注，有望成为下一代超轻超强材料。然而，由于碳纳米管的生长长度受限，大规模生产碳纳米管仍然是一个未解决的挑战。碳纳米管纤维是一种由数以万计的纳米级碳纳米管组装成的连续长丝，在复合材料，超级电容器，电池等领域有着广泛的应用。据报道，碳纳米管纤维的拉伸强度和电导率可以达到9.6gpa和10.9sm-1
，有着极为广阔的应用前景。
3.目前，已有一些关于碳纳米管纤维制备方法的报道，此后，专利cn114538414a提出了一种利用射频等离子体分解氯化铁、噻吩、煤焦油，在立式炉内进行气相沉积合成单壁碳纳米管纤维。该方法流程简单，相比目前的浮游催化法，生产效率更高，所使用的原料廉价，适合生产成本较低的纤维状单壁碳纳米管，可用于制造特种电缆和锂电池用导电剂。
4.专利cn113957568a报道了一种高取向碳纳米管纤维的制备方法，该方法以二茂铁、噻吩、乙醇混合溶液在立式管式高温炉中连续纺丝，再将碳纳米管纤维在乙醇和丙酮混合溶液中处理，得到高取向碳纳米管纤维。该法所制备的对碳纳米管纤维取向性好，并具有优异的力学性能，抗拉强度高，且韧性高于碳纤维。在不对碳纳米管纤维造成损伤的前提下，提高其取向，进而提高了纤维的最终抗拉强度。
5.专利cn114477141 a报道了一种将碳源、有机铁催化剂和助催化剂的混合制备混合浆料，使用h2或ar/h2混合载气，通到微波等离子云反应设备中，受微波激发产生高温离子云火焰，混合浆料定量添加至通有载气的等离子云中，原位反应连续生成寡壁碳纳米管纤维，且生成的寡壁碳纳米管纤维束包括单壁碳纳米管纤维、双壁碳纳米管纤维和三层壁碳纳米管纤维；碳纳米管纤维束产物结晶度高，柔韧性好，制备过程操作简单，反应温度均匀，重复性好，稳定性高。
6.虽然目前通过多种方法可制得碳纳米管纤维，但是在这些制备过程中所采用的碳源主要来自石化衍生品，成本和碳排放都比较高，但利用co2等气体作为碳源制备碳纳米管的研究还较为鲜见。


技术实现要素：

7.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
8.鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
9.因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种利用co2连续制备碳纳米管纤维的方法。
10.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种利用co2连续制备碳纳米管纤维的方法，其特征是该纤维由纳米金、二茂铁、噻吩、有机溶剂以及去离子水共混，并载入co2、氢气以及氩气，利用浮动催化化学气相沉积法连续纺丝而成；
11.其中，各组份占固体份质量百分比为：
[0012][0013]
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述纤维的直径为60-120μm。
[0014]
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述碳纳米管纤维利用co2为碳源，在高温高压条件下利用金属催化剂将其还原为co，并继续催化生长成为碳纳米管，经过湿法纺丝成为碳纳米管纤维。
[0015]
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述碳纳米管纤维的制备步骤为
[0016]
将1～2质量份纳米金和二茂铁与0.5～1质量份噻吩，溶解于90～95质量份有机溶剂和5～6质量份去离子水中得到均匀混合溶液，再将其加热超声0.5～1小时；
[0017]
将混合溶液以0.5～1ml/min注入高温高压反应器中，将溶液升华热解，温度为800～1300℃，压强为；50～100mpa。
[0018]
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述混合溶液超声时，加热温度为30～60℃。
[0019]
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述混合溶液注入高温高压反应器前，温度和压强达到预设值。
[0020]
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述氢气、氩气和co2三种气体混合后同时注入。
[0021]
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述碳纳米管在金属纳米颗粒上自生长而成。
[0022]
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述碳纳米管带在80～100℃加热干燥后，加捻成碳纳米管纤维。
[0023]
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述碳纳米管纤维的制备生产是湿法连续纺丝。
[0024]
本发明有益效果：
[0025]
本发明的目的在于提供一种利用co2连续制备碳纳米管纤维的方法，在利用co2作为碳源，缓解了温室效应的同时，生产出具有优良机械性能和电学性能碳纳米管纤维，生产过程简单高效，能够连续纺丝，大规模生产。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0027]
图1为本发明制备碳纳米管纤维装置示意图。(附图标记：混合溶液1，纳米金属颗粒2，生长碳帽的纳米金属颗粒3，生长碳纳米管的纳米金属颗粒4，高温高压反应器5，碳纳米管网络6，氩气7，氢气8，二氧化碳9，碳纳米管带10，水溶液11，碳纳米管纤维12.)
[0028]
图2为三种碳纳米管纤维的伸长率与强度变化情况。
[0029]
图3为碳纳米管纤维的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
[0030]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0031]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0032]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0033]
测试方法：
[0034]
(1)断裂伸长率
[0035]
测试仪器：中国新新纤仪器公司xq-2纤维强伸度仪；测试条件：夹持距离10mm，拉伸速度10mm/min。
[0036]
(2)电阻值
[0037]
测试仪器：中国正泰公司zty890万用表。
[0038]
(3)拉曼光谱
[0039]
测试仪器：英国雷尼绍公司的invia reflex显微共聚焦拉曼光谱仪；测试条件：波长582nm。
[0040]
(4)灵敏度
[0041]
测试仪器：中国corrtest公司的cs150h电化学工作站；测试条件：采用恒电位极化方法，电压0.5v,持续时间400秒；通过测得电流的变化计算出电阻的变化，利用公式计算灵敏度。
[0042]
实施例1
[0043]
(1)在500ml的烧杯中先加入15ml去离子水和180ml乙醇溶液，将2g纳米金，2g二茂铁，1g噻吩加入上述溶液中，在45℃下超声0.5小时，直到没有沉淀的二茂铁，并将溶液冷却支室温。
[0044]
(2)将高温高压反应器温度设定在1200℃，压强设置在50mpa，将步骤(1)所得混合溶液以0.5ml/min的速率注入高温高压反应器中，与此同时，将氢气和co2以3000sccm，氩气
以1000sccm混合注入高温高压反应器中。
[0045]
(3)将步骤(2)生成的碳纳米管网络以4.5m/min抽出，经过水溶液收缩为碳纳米管带，再将碳纳米管带在100℃下加热干燥，以捻度为2000r/min加捻成碳纳米管纤维并收集。
[0046]
实施例2
[0047]
(1)在500ml的烧杯中先加入15ml去离子水和180ml乙醇溶液，将1.5g纳米金，2g二茂铁，1.5g噻吩加入上述溶液中，在60℃下超声0.5小时，直到没有沉淀的二茂铁，并将溶液冷却支室温。
[0048]
(2)将高温高压反应器温度设定在1200℃，压强设置在50mpa，将步骤(1)所得混合溶液以0.5ml/min的速率注入高温高压反应器中，与此同时，将氢气和co2以3000sccm，氩气以1000sccm混合注入高温高压反应器中。
[0049]
(3)将步骤(2)生成的碳纳米管网络以4.5m/min抽出，经过水溶液收缩为碳纳米管带，再将碳纳米管带在100℃下加热干燥，以捻度为2000r/min加捻成碳纳米管纤维并收集。
[0050]
实施例3
[0051]
(1)在500ml的烧杯中先加入15ml去离子水和180ml乙醇溶液，将2g纳米金，1.5g二茂铁，1.5g噻吩加入上述溶液中，在60℃下超声0.5小时，直到没有沉淀的二茂铁，并将溶液冷却支室温。
[0052]
(2)将高温高压反应器温度设定在1200℃，压强设置在50mpa，将步骤(1)所得混合溶液以0.5ml/min的速率注入高温高压反应器中，与此同时，将氢气和co2以3000sccm，氩气以1000sccm混合注入高温高压反应器中。
[0053]
(3)将步骤(2)生成的碳纳米管网络以4.5m/min抽出，经过水溶液收缩为碳纳米管带，再将碳纳米管带在100℃加热干燥，以捻度为2000r/min加捻成碳纳米管纤维并收集。
[0054]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。