專利名稱：高彈性螺旋狀碳纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明敘述了一種高彈性螺旋狀碳纖維及其制備方法。采用化學(xué)氣相沉積法(CVD法)，以乙炔或丙烷等碳?xì)浠衔餅樘荚?，以H2為還原氣體，N2為稀釋氣體，在Ni、Nb、Ti等催化劑，以及噻吩、PCl3等少量不純物作用下，在700～800℃進(jìn)行制備的高彈性微螺旋狀碳纖維材料。
1953年Nature登載關(guān)于在金屬催化劑存在下，使一氧化碳不平衡分解，觀察到了旋卷狀碳纖維的報(bào)道，但是，因?yàn)槠湓佻F(xiàn)性和收率很差，工業(yè)化可能性未與考慮。目前工業(yè)上碳纖維都是直線狀的，具有分散性差，容易從基體中拔出，伸展性小，耐沖擊性差等缺點(diǎn)。
近年日本的元島棲二教授發(fā)現(xiàn)，采用化學(xué)氣相沉積法，通過熱裂解烴可合成嶄新形態(tài)的，且具有良好再現(xiàn)性的微螺旋狀碳纖維，是由兩根亞纖維成對(duì)地、比較緊密地卷成旋管，中央是空的。但是，由于螺距很小，螺旋管直徑(3～7μm)也較小，彈性小，所以尚未能開發(fā)應(yīng)用。
本發(fā)明用化學(xué)氣相沉積法，以溶有少量雜質(zhì)的碳?xì)浠衔餅樘荚矗訦2為還原氣體，N2為稀釋氣體(氣體流量C2H2/H2＝1/4～1/6，，C2H2/N2＝0.5～1)，在催化劑和不純物的作用下，在700～800℃下反應(yīng)，形成微螺旋狀碳纖維，沉積在石墨或或Ni、W等金屬基板上。有效地合成一系列直徑D＝10～40μm，螺距P＝1～5μm，可以拉伸到(3-25倍)的高彈性微螺旋狀碳纖維。組成高彈性微螺旋狀碳纖維的亞纖維直徑為0.1～1μm。反應(yīng)時(shí)間2小時(shí)后相應(yīng)長度3～6mm。控制不同反應(yīng)條件，就可以獲得不同微觀尺寸，同時(shí)具有不同彈性。
所用的碳?xì)浠衔餅橐胰不虮榈龋淮呋瘎┌∟b、Ni、Ti等；不純物包括噻吩、PCl3等。
高彈性微螺旋狀碳纖維化學(xué)組成C97.5～98.2％，H1％～1.4％，S或P0.03～0.09％；密度1.8～1.9；表面積為80～120m2/g；體積電阻為0.1～1Ω.cm；顯微結(jié)構(gòu)是均勻的非結(jié)晶質(zhì)。
高彈性旋管狀碳纖維的結(jié)構(gòu)類似于遺傳因子DNA，具有直線狀碳纖維(如氣相成長碳纖維VGCF)所沒有的特異力學(xué)性能(有彈性，耐沖擊)和電磁性能(可吸收電磁波)等特異性能，是理想的填充材料，并可應(yīng)用于電磁波的隱身與防害材料，能量吸收材料，氣體吸收材料，微機(jī)械組件，傳感器，電極材料，生化反應(yīng)催化劑等領(lǐng)域。特別在軍事、航空航天、電磁波的隱身與防害上有廣闊的應(yīng)用前景。
微旋管狀碳纖維的合成條件微妙復(fù)雜，各因素之間強(qiáng)烈地相互制約。原有合成方法上注重提高微旋管狀碳纖維的長度和規(guī)正性，所以經(jīng)大量研究獲得了所謂的標(biāo)準(zhǔn)生長條件反應(yīng)溫度760～790℃，C2H2/H2＝1/4～1/6，，C2H2/N2＝0.5～1，C4H4S0.6～0.8mol％，基板水平地置于平行的反應(yīng)管中央，在該標(biāo)準(zhǔn)生長條件下的產(chǎn)物垂直于基板向上生長，螺旋管直徑5μm左右，兩根纖維成對(duì)地、比較緊密地卷成旋管，由于螺徑和螺距小，彈性也小。
本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的由于金屬催化劑晶粒的不同晶體面對(duì)碳沉積的催化作用具有各向異性，是形成微螺旋狀碳纖維的推動(dòng)力。各向異性大小強(qiáng)烈地受到半熔體組成(金屬，炭，硫和氫等元素)的影響。在一定的催化劑，不純物和溫度條件下，控制反應(yīng)氣組成，就能控制各向異性的大小，從而獲得不同微觀形態(tài)和尺寸的微螺旋狀碳纖維，有效地合成一系列高彈性微螺旋狀碳纖維的方法。突破目前該材料在彈性方面的局限。
實(shí)施例一透明石英制豎式外熱式反應(yīng)管的中央，水平放入一涂有催化劑Nb粉末的石墨基板。從上部通入原料氣體，組成如下以溶有少量丙酮雜質(zhì)的乙炔為碳源，PCl3為不純物，以H2為還原氣體，N2為稀釋氣體。氣體流量C2H2＝50sccm，H2＝250sccm，N2＝120sccm，PCl31.0sccm，在750～760℃下進(jìn)行氣相沉積反應(yīng)2小時(shí)，微螺旋狀碳纖維沉積在石墨基板上，獲得產(chǎn)率為3.8％(按C2H2計(jì))，旋管直徑10～15μm，螺距1～2μm的不規(guī)則微螺旋狀碳纖維，具有高彈性，可以拉伸到3～5倍。
實(shí)施例二透明石英制橫式外熱式反應(yīng)管的中央，水平放入一涂有Ti粉末催化劑的石墨基板。從上部通入原料氣體，組成如下以溶有少量雜質(zhì)的乙炔為碳源，噻吩為不純物，以H2為還原氣體，N2為稀釋氣體。氣體流量C2H2＝120sccm，H2＝500sccm，N2＝300sccm，噻吩4.2sccm，在750～790℃下進(jìn)行氣相沉積反應(yīng)2小時(shí)，微螺旋狀碳纖維沉積在石墨基板上，獲得產(chǎn)率為5.3％(按C2H2計(jì))，旋管直徑12～18μm，螺距1～4μm的不規(guī)則微螺旋狀碳纖維，可以拉伸到5～15倍。
實(shí)施例三透明石英制橫式外熱式反應(yīng)管，中央的垂直放入8塊涂有催化劑Ni的石墨基板。從上部通入原料氣體，組成如下以溶有少量丙酮等雜質(zhì)的乙炔為碳源，噻吩為不純物，以H2為還原氣體，N2為稀釋氣體。氣體流量C2H2＝380sccm，H2＝1600sccm，N2＝800sccm，噻吩15.5sccm，在750～790℃下進(jìn)行氣相沉積反應(yīng)2小時(shí)，產(chǎn)物高彈性微螺旋狀碳纖維沉積在石墨基板每一個(gè)面上距離氣體導(dǎo)入口30-40mm的區(qū)間，產(chǎn)率6.3％。產(chǎn)物為旋管直徑16～40μm，螺距2～5μm的不規(guī)則微螺旋狀碳纖維，螺旋單纖維可以拉伸到成直線狀(10～25倍)。
權(quán)利要求
一種采用化學(xué)氣相沉積法(CVD法)，以乙炔或丙烷等碳?xì)浠衔餅樘荚矗訦2為還原氣體，N2為稀釋氣體，在Nb、Ni、Ti等催化劑，以及噻吩、PCl3等少量不純物的作用下，在700～800℃進(jìn)行制備的高彈性微螺旋狀碳纖維。其特征在于氣體流量控制在C2H2/H2＝1/4～1/6，C2H2/N2＝0.5～1，產(chǎn)物高彈性微旋管狀碳纖維的旋管直徑D＝10～40μm，螺距P＝1～5μm，可以拉伸到(3-25倍)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高彈性微旋管狀碳纖維及其制備方法。溶有少量雜質(zhì)的烴,在金屬或其氧化物催化劑、含S或P不純物作用下,在H
文檔編號(hào)D01F9/12GK1327093SQ0010883
公開日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2000年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月7日
發(fā)明者陳秀琴, 元島棲二 申請(qǐng)人:華僑大學(xué)