一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法，包括：步骤1：制备酒石酸铜沉淀；步骤2：对碳纤维进行预处理；步骤3：将碳纤维浸渍于酒石酸铜沉淀的悬浮液中；步骤4：将浸渍后的碳纤维放置于CVD炉中，在真空状态下加热至240

【技术实现步骤摘要】
一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及材料科学与工程领域，具体涉及一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]碳纤维增强聚合物复合材料(CFRPs)由于具有高比强度，高比模量，耐老化，耐腐蚀，质轻等一系列优点而广泛应用于航空航天，汽车工业，运动休闲等领域。由于碳纤维表面光滑，表面缺少活性基团并且呈现化学惰性，因此在和树脂复合时很容易在两者界面处形成微小的裂缝，这些裂缝在外力作用下很容易成为裂纹的萌发点，从而造成宏观上的材料失效。因此，现在很多研究者集中于改善碳纤维的表面，提高其与树脂的界面结合强度，从微观尺度改善两者之间的界面。
[0004]螺旋碳纳米管由于具有特殊的三维螺旋结构而具有很多独特的物理与化学性能，比如超高弹性、高比强度等。将其作为第三相纳米粒子添加到复合材料中，可以显著改善脆性聚合物的力学性能。同时其独特的螺旋结构能与树脂形成机械互锁效应，不容易发生界面脱粘，是提高碳纤维增强聚合物复合材料力学性能的理想填料。然而，由于其纳米尺度很容易引起螺旋碳纳米管之间的相互缠结与聚集，不容易均匀分散到复合材料中，影响其增强效应。因此，用化学气相沉积(CVD)法将螺旋碳纳米管均匀沉积到碳纤维表面，是十分可行的方法。
[0005]王颖等人(表面改性对螺旋碳纳米管/环氧树脂复合材料力学性能的影响[J].高分子材料科学与工程，2018，34(10):10
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45)将表面改性的螺旋碳纳米管添加到环氧树脂复合材料中，使得复合材料的力学性能有了大幅度提高。他们认为，表面改性能够增强螺旋碳纳米管与环氧树脂之间的界面相互作用，有利于两者之间的应力传递。
[0006]中国专利文件CN106829926A公开了一种高纯螺旋碳纳米管的制备方法。以纳米氧化铁为催化剂前驱体，用原位还原法使之还原为纳米铁催化剂，同时在400
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500℃引入碳源和水汽作为催化调节助剂，保温6
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10小时，得到高纯螺旋碳纳米管。此方法只是制备了高纯度的螺旋碳纳米管，并没有说明螺旋碳纳米管在复合材料中的应用。
[0007]但是化学气相沉积法在碳纤维表面制备碳纳米管存在以下问题，对于这一方面在硕士论文(“碳纤维表面生长碳纳米管及其结构性能研究”，陈铭，北京化工大学)中公开了如下内容：化学气相沉积法是制备CNT/CF最为普遍的方法，依据催化剂负载形式分为两种，固定法CVD法和浮游CVD法。固定法制备CNTs过程中，高温下的金属催化剂容易刻蚀纤维表面，形成缺陷导致纤维力学性能有一定程度下降；而浮游法需要的温度高，所用的碳源可能有一定毒性，且碳纳米管与纤维的结合效果较差。这说明，现有技术中利用化学气相沉积法在碳纤维表面沉积碳纳米管并无法突破高温以及两者结合效果较差的缺陷，如何在低温条
件下还能够实现良好的结合效果这一点现有技术并未给出报道。
[0008]由于现有关于对螺旋碳纳米管的制备以及应用方面，缺乏低温条件下在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的报道，关于螺旋碳纳米管在复合材料中的应用的研究较少。因此，提供一种低温条件下在碳纤维表面沉积结合效果良好的螺旋型碳纳米管的方法具有重要意义。

技术实现思路

[0009]为了克服上述问题，本专利技术提供了一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法，其工艺简单、成本低、节约时间，能解决螺旋碳纳米管在碳纤维表面的均匀分散问题，实现碳纤维和碳纳米管良好的结合效果，同时拓宽了螺旋碳纳米管的应用领域。
[0010]基于上述研究成果，本公开提供以下技术方案：
[0011]本公开第一方面，提供一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法，包括：
[0012]步骤1：制备酒石酸铜沉淀；
[0013]步骤2：对碳纤维进行预处理；
[0014]步骤3：将碳纤维浸渍于酒石酸铜沉淀的悬浮液中；
[0015]步骤4：将浸渍后的碳纤维放置于CVD炉中，在真空状态下加热至240
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260℃，保温后通入碳源，沉积一段时间即可。
[0016]本公开第二方面，提供一种上述制备方法制备得到的碳纳米管，所述碳纳米管具有DNA双螺旋结构。
[0017]本公开第三方面，提供上述在碳纤维上制备的碳纳米管在制备航空航天装备、汽车船舶、武器装备与民用基础设施中的应用。
[0018]本公开一个或多个具体实施方式至少取得了以下技术效果：
[0019](1)本公开提供了一种工艺简单，成本低，节约时间，在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法。该方法能够使得螺旋碳纳米管在碳纤维表面均匀分散，拓宽了螺旋碳纳米管在复合材料中的应用范围。
[0020](2)本公开所述制备方法能够解决现有工艺制备温度高、成本大，对纤维力学性能损害严重，无法大规模生产样品的问题，实现了低温条件下即可在碳纤维表面制备得到螺旋碳纳米管，且与基体之间具有良好结合性。
[0021](3)气相沉积法制备碳纳米管需要使用催化剂，催化剂是一种核心物质，其种类影响碳纳米管的螺旋形态以及直径、螺距、螺径的均匀性，同时也会影响与基体材料的结合性能；本公开研究发现采用酒石酸铜溶液作为催化剂前驱体，在降低气相沉积制备温度的同时，能够制备得到均匀分布的碳纳米管，且制备的碳纳米管/碳纤维复合材料层间结合力强、力学性能优异，突破了高温条件对于基体材料与碳纳米管之间兼容性的限制作用，即本公开提供了一种在低温条件下能够保证碳纤维和碳纳米管具有良好结合性能的催化剂。
附图说明
[0022]构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0023]图1为本专利技术实施例1得到的(A)碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管前后的光学图片；
(B)螺旋碳纳米管的扫描图片。
[0024]图2为本专利技术实施例2得到的碳纤维表面扫描图片：(A)生长螺旋碳纳米管的碳纤维表面；(B)纤维表面沉积的单个螺旋碳纳米管。
具体实施方式
[0025]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0026]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0027]正如前面所述，现有在碳纤维上制备碳纳米管存在生长温度高、成本大，对纤维力学性能损害严重，无法大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：制备酒石酸铜沉淀；步骤2：对碳纤维进行预处理；步骤3：将碳纤维浸渍于酒石酸铜沉淀的悬浮液中；步骤4：将浸渍后的碳纤维放置于CVD炉中，在真空状态下加热至240
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260℃，保温后通入碳源，沉积一段时间即可。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，酒石酸铜沉淀的制备方法为：将氯化铜水溶液在搅拌下缓慢加入至酒石酸钾钠水溶液中，即制得；进一步，氯化铜水溶液和酒石酸钾钠水溶液的浓度为0.05M
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0.15M，优选为0.1M，搅拌时间为20
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40min，优选为30min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中还涉及酒石酸铜沉淀的后处理过程，即利用无水乙醇洗涤2
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4次，随后在烘箱中干燥；所述干燥温度为90
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110℃，优选为100℃；所述干燥时间为45min
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80min，优选为1h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中对碳纤维的预处理过程为：将碳纤维放置于立式CVD炉中，在氮气氛围下，以11
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18℃/min的升温速率加热到400
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500℃保温，去除纤维表面的上浆剂，降至室温后取出；优选的，升温速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成国，姚志强，王延相，王成娟，许镇豪，栗孟帆，蒋浩天，岳阳，魏化震，陈刚，王启芬，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：