一种制备有序碳纳米纤维的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备有序碳纳米纤维的方法，1）首先利用阳极氧化法将钛片制备为排列规则的二氧化钛纳米管阵列作为模板；2）然后通过抽真空产生负压的方式将作为碳源的碳的前驱体溶液注入二氧化钛纳米管模板管孔中；3）再将注入到二氧化钛纳米管阵列管孔中的碳前驱体溶液在一定温度下聚合；4）接着在真空炉中对聚合后的碳源进行炭化热处理得到排列有序的碳纳米纤维；5）最后在酸溶液中溶解掉作为模板的二氧化钛及未氧化的钛片，清洗烘干即得到由表面碳膜支撑的、排列有序的碳纳米纤维。本发明专利技术工艺简单、可操作性强、生产成本低、制备的碳纳米纤维高度排列取向且直径、长度可控。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，1）首先利用阳极氧化法将钛片制备为排列规则的二氧化钛纳米管阵列作为模板；2）然后通过抽真空产生负压的方式将作为碳源的碳的前驱体溶液注入二氧化钛纳米管模板管孔中；3）再将注入到二氧化钛纳米管阵列管孔中的碳前驱体溶液在一定温度下聚合；4）接着在真空炉中对聚合后的碳源进行炭化热处理得到排列有序的碳纳米纤维；5）最后在酸溶液中溶解掉作为模板的二氧化钛及未氧化的钛片，清洗烘干即得到由表面碳膜支撑的、排列有序的碳纳米纤维。本专利技术工艺简单、可操作性强、生产成本低、制备的碳纳米纤维高度排列取向且直径、长度可控。【专利说明】
本专利技术涉及碳纳米材料制备工艺的研究，具体指，属于碳纳米材料制备
。
技术介绍
目前，制备碳纳米材料的方法较多，主要的有CVD(化学气相沉积)法、电弧放电法、激光烧蚀法等，但这些方法制备的碳纳米材料的均匀性和取向性较差，碳纳米材料自身易发生团聚、排列不规则；碳纳米材料的尺寸难以控制。为了制备具有高度取向性的碳纳米材料，模板法是目前采用的最行之有效的方法之一。王成伟等人利用CVD法在多孔氧化铝模板成功地制备出大面积高度取向的碳纳米管有序阵列膜(用多孔氧化铝模板制备高度取向碳纳米管阵列膜的研究，王成伟，李梦柯，潘善林，力虎林，科学通报第45卷第5期)。其制备出的碳纳米管阵列，长度为60mm,直径为20?250nm,面积可达到20mmX20mm。 以上的模板法中，主要利用阳极氧化铝模板结合CVD法来制备碳纳米纤维。在CVD的过程中，有的需要先在多孔氧化铝模板中沉积金属催化剂，并且在沉积过程中需要精确控制通入惰性气体，还原气体，碳源气体的时间、流量以及反应温度。目前的模板法工艺较为复杂，操作难度较大，成本也比较高，而且同样存在碳纳米材料的尺寸难以控制的问题。
技术实现思路
针对现有模板法制备碳纳米材料存在的工艺复杂、操作难度大、尺寸难以控制等不足，本专利技术的目的是提供一种工艺简单、可操作性强、生产成本低、尺寸可控的制备有序碳纳米纤维的方法，本方法制备的碳纳米纤维具有高度排列取向且纤维直径、长度可控。 本专利技术的技术方案是这样实现的:，步骤如下，O首先利用阳极氧化法将钛片制备为排列规则的二氧化钛纳米管阵列作为模板；2)然后通过抽真空产生负压的方式将作为碳源的碳的前驱体溶液注入二氧化钛纳米管模板管孔中；3)再将注入到二氧化钛纳米管阵列管孔中的碳前驱体溶液在一定温度下聚合；4)接着在真空炉中对聚合后的碳源进行炭化热处理得到排列有序的碳纳米纤维；5)最后在酸溶液中溶解掉作为模板的二氧化钛及未氧化的钛片，清洗烘干即得到由表面碳膜支撑的、排列有序的碳纳米纤维。 进一步地，第I)步二氧化钛纳米管阵列的制备方法为，将纯钛片用水磨砂纸逐级打磨至表面光滑无明显划痕；打磨过程中，始终用流水冲走磨下的磨屑；然后将打磨好后的钛片在无水乙醇中充分超声清洗；将清洗好的钛片作为阳极，纯石墨电极作为阴极，在含有氟离子的电解液中进行阳极氧化，氧化时间7-98小时，氧化电源为直流电源，氧化电压为30-60伏；氧化后，取出钛片，用去离子水轻轻冲洗表面，最后烘干即得到作为模板的二氧化钛纳米管阵列。 所述含氟离子的电解液为含NH4F或HF的乙二醇溶液，氟离子浓度为0.3 wt%_0.8 Wt%o 进一步地，第2)步作为碳源的碳的前驱体溶液为糠醇，碳源的注入按如下操作， 将步骤I)阳极氧化后的钛片置于真空抽滤瓶底部，二氧化钛纳米管阵列朝上；真空抽滤瓶瓶口用橡胶塞密封，橡胶塞上钻孔插入一个分液漏斗，将备好的糠醇加入到分液漏斗中，开启抽真空装置使真空抽滤瓶产生真空，然后打开分液漏斗活塞开关使糠醇在负压作用下滴落在二氧化钛纳米管阵列上；糠醇滴落完后，关闭分液漏斗活塞开关，并继续抽真空I小时；糠醇的量要满足最后完成注入时仍然能完全淹没阳极氧化后的钛片。 其中，第3)步碳源的聚合温度为120-200°c，保温1_3小时，然后取出于室温下风干即可。 其中，第4)步真空炭化温度为800-1100°C，炭化时间3_5小时，然后随炉冷却即可。 其中，第5)步溶解掉作为模板的酸溶液为1-10 VO1% HF酸溶液。 相比现有技术，本专利技术具有以下优点:1、本专利技术对已有的模板加CVD法工艺过程的简化和改进，用直接的碳源炭化取代现有的CVD法，免去了 CVD法制备过程中惰性气体、还原气体、碳源气体的通入和控制，工艺简单，操作容易，节约了成本，简化了工艺流程。 2、由于作为模板的二氧化钛纳米管可以通过阳极氧化参数的控制，改变其管径和管长，从而达到对于制备的碳纳米纤维的直径和长度的控制。 【专利附图】【附图说明】 图1-抽真空注入碳源前驱体的装置。 图2-0.5 wt%氟离子浓度电解液中，60伏的电压下，纯钛片阳极氧化12小时的表面形貌SEM照片。 图3-本专利技术制备的碳纳米纤维的原子力显微镜照片。 【具体实施方式】 本专利技术为了工艺简单地制备得到尺寸可控的有序碳纳米纤维材料，其基本思想是:利用阳极氧化的方法将钛片制备为具有规则的二氧化钛纳米管阵列作为模板；接着通过抽真空产生负压的方式将碳的前驱体溶液注入二氧化钛纳米管模板；然后在烘箱中，一定温度下进行碳源的聚合；再在真空炉中进行炭化热处理得到排列有序的碳纳米纤维；最后在酸溶液中溶解掉作为模板的二氧化钛，最终得到由表面碳膜支撑的、排列有序的碳纳米纤维。 本专利技术利用多孔模板，使碳源在规则排列的孔结构中聚合，然后碳源进行炭化得到碳纳米纤维。由于通过调整阳极氧化的工艺参数可以控制二氧化钛模板中纳米管的尺寸(管长和大小)，进而可以控制碳纳米纤维的直径。同时，由于阳极氧化方法制备的二氧化钛膜其纳米管结构排列规则，因而制备的碳纳米纤维就能具备有序的排列。 本专利技术制备有序碳纳米纤维的方法，具体工艺步骤如下: O二氧化钛纳米管阵列的制备将商用纯钛片用水磨砂纸(120目、200目、240目、320目、400目、600目、800目)逐级打磨至表面光滑无明显划痕；打磨过程中，始终用流水冲走磨下的磨屑；然后将打磨好后的钛片在无水乙醇中超声清洗10分钟。将清洗好的钛片作为阳极，纯石墨电极作为阴极，在含有氟离子的电解液中进行阳极氧化，氧化时间为7-98小时，氧化电源为直流电源，氧化电压在30-60伏。氧化后，取出钛片，用去离子水轻轻冲洗表面，置于37°C恒温烘箱中烘干即可。 含氟离子的电解液为含NH4F或HF的乙二醇溶液。氟离子的浓度为0.3 wt%_0.8 Wt%o 上述阳极氧化方案中，氧化时间为7-98小时，可根据所需的二氧化钛纳米管阵列的长度进行调整，时间越长得到的二氧化钛纳米管越长。 上述阳极氧化方案中，氧化电压为30-60伏，可根据所需的二氧化钛纳米管的管径进行调整，电压越大，管径越大。 2)碳源的注入将步骤I)中阳极氧化后的钛片置于真空抽滤瓶底部，氧化面(即二氧化钛纳米管阵列)朝上。真空抽滤瓶瓶口用橡胶塞密封，橡胶塞上钻孔插入一个分液漏斗，并将作为碳源的糠醇加入到分液漏斗中(如图1所示)。开启抽真空装置使真空抽滤瓶产生真空，然后打开分液漏斗活塞开关使糠醇在负压作用下滴落在二氧化钛纳米管阵列上；糠醇滴落完后，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备有序碳纳米纤维的方法，其特征在于：步骤如下，1）首先利用阳极氧化法将钛片制备为排列规则的二氧化钛纳米管阵列作为模板；2）然后通过抽真空产生负压的方式将作为碳源的碳的前驱体溶液注入二氧化钛纳米管模板管孔中；3）再将注入到二氧化钛纳米管阵列管孔中的碳前驱体溶液在一定温度下聚合；4）接着在真空炉中对聚合后的碳源进行炭化热处理得到排列有序的碳纳米纤维；5）最后在酸溶液中溶解掉作为模板的二氧化钛及未氧化的钛片，清洗烘干即得到由表面碳膜支撑的、排列有序的碳纳米纤维。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：附青山，陈建，金永中，李兵红，聂绪建，
申请(专利权)人：四川理工学院，中橡集团炭黑工业研究设计院，
类型：发明
国别省市：四川;51