一种管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管及其制备方法，包括以下步骤：将聚丙烯腈、二维碳化钛和N,N

【技术实现步骤摘要】
一种管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳纳米管的制备方法
，特别涉及一种管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管及其制备方法。

技术介绍

[0002]自1991年单层碳纳米管的发现和宏观量的合成成功以来，由于具有独特的电子结构和物理化学性质，碳纳米管在各个领域中的应用已引起了各国科学家的普遍关注，成为纳米科技领域的研究热点。碳纳米管强度高具有韧性、重量轻、比表面积大，性能稳定，随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性，场发射性能优良。碳纳米管是电化学领域所需的理想材料，是用做制造电化学双层电容器超级电容器电极的理想材料，利用碳纳米管做为锂离子电池的正极和负极材料可以延长电池寿命，改善电池的充放电性能。利用碳纳米管制成极好的发光、发热、发射电子的准点光源，制成平面显示器等，使壁挂电视成为可能。在电子工业上、用碳纳米管生产的晶体管，体积只有半导体的1/10，用碳基分子电子装置取代电脑芯片，将引发计算机的新的革命。碳纳米管可以在较低的气压下存储大量的氢元素，利用这种方法制成的燃料不但安全性能高，而且是一种清洁能源，在汽车工业将会有广阔的发展前景。由于碳纳米管具有优良的电学和力学性能，被认为是复合材料的理想添加相，低的加入量及纳米级的尺寸聚合物在取得良好的导电性能时，不会降低聚合物机械及其它性能，并适合于薄壁塑料件的注塑成型。
[0003]经过近20年的研究，不同结构碳基复合材料的理想实际应用仍然存在问题，主要源于各种因素，包括基体与增强相界面、增强相分散和基体粘度等等，这些问题导致碳基纳米复合材料的加工面临挑战。碳纳米管与碳纤维以及新近的将千千万万根碳纳米管拧在一起组成宏观的碳纳米管纤维作为炭系家族中常见的一维材料，具备诸多不同寻常的力学、电学、热学等物理性能和化学性能，已经在结构功能一体化复合材料的研制及其在电磁屏蔽与吸收、能源转化和储存、传感与驱动等领域的应用展现了非常广泛的前景，但传统的碳纳米管基复合材料中只存在单界面，而界面作为复合材料重要的微结构，对各组分性能的发挥程度和复合材料的最终性能都具有举足轻重的影响，如何改进基体与增强相间的界面相互作用在复合材料的实际生产和科学研究中显得尤为重要。
[0004]尽管经过长期的研究，碳纳米管的制备方法日趋成熟，常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法(碳氢气体热解法)、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。但各个方法仍存在制备温度高，催化剂难以去除以及管壁单一无法调控等缺点和不足。

技术实现思路

[0005]为了解决上述
技术介绍
中所提出的的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种管壁可复合二维结构的大管径碳纳米管及其制备方法。本专利技术将聚丙烯腈(PAN)、二维碳化钛以及N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)均匀混合得到二维碳化钛复合的聚丙烯腈纺丝前驱体溶液，在
静电纺丝的方法的基础上，在前驱体纤维上包裹一层无机陶瓷层，再经烧结处理制备出大直径碳纳米管材料，碳纳米管分布良好，直径大小均一，直径约为150
‑
200nm，这些条件更有利于后续材料复合，使得内外界面均能进行复合，制备性能更佳的碳基复合材料。本专利技术打破传统的制备方法，利用无机层控制热解过程，在“限域空间热解”制备得到管壁可复合二维结构的大管径碳纳米管，克服了传统方法存在制备温度高，催化剂难以去除以及管壁单一无法调控等缺点和不足。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一方面，本专利技术提供了一种管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将聚丙烯腈(PAN)、二维碳化钛和N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)混合均匀，制备得到二维碳化钛复合的聚丙烯腈纺丝前驱体溶液；
[0008](2)将二维碳化钛复合的聚丙烯腈纺丝前驱体溶液通过静电纺丝的方法制备得到二维碳化钛复合的聚丙烯腈前驱体纤维；
[0009](3)将二维碳化钛复合的聚丙烯腈前驱体纤维浸渍陶瓷溶胶，然后在惰性保护气体中高温烧结得到包裹陶瓷层的样品；
[0010](4)将包裹陶瓷层的样品通过刻蚀表面的陶瓷层，得到所述管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管。
[0011]进一步地，步骤(1)中所述聚丙烯腈、二维碳化钛和N,N
‑
二甲基甲酰胺的质量比为1：0.001
‑
0.01：8
‑
12。
[0012]进一步地，步骤(2)具体为：将聚丙烯腈纺丝前驱体溶液注入到静电纺丝机中，调节相关的电纺工艺参数，电纺后得到聚丙烯腈前驱体纤维。
[0013]进一步地，所述电纺工艺参数为：纺丝液出液速度为0.5
‑
2ml/h，电压为15
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20KV，接收板和喷头之间距离为14
‑
20cm。
[0014]进一步地，步骤(3)中所述陶瓷溶胶包括二氧化硅溶胶或三氧化二铝溶胶。
[0015]进一步地，步骤(3)中所述高温烧结的温度为600
‑
1000℃，所述高温烧结的时间为1
‑
3h。
[0016]进一步地，步骤(4)中所述刻蚀表面的陶瓷层所用的试剂为氢氟酸溶液、盐酸溶液、硝酸溶液或硫酸溶液。
[0017]进一步地，所述氢氟酸溶液、盐酸溶液、硝酸溶液或硫酸溶液的质量百分数为10
‑
30％。
[0018]另一方面，本专利技术提供了一种管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管，由上述任一所述的管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管的制备方法制备得到。
[0019]进一步地，所述管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管分布良好，直径大小均一，所述直径均大于150nm。
[0020]本专利技术与现有的技术相比，所具备的有益效果是：1)本专利技术整体过程操作简单可控、生产成本低、原料利用率高、结构缺陷少、纯度高、易实现，主要通过纺丝的方法制备前驱体纤维。2)可通过前驱体的掺杂实现碳纳米管管壁的复合。3)本专利技术在大分子前驱体纤维外层包裹一层陶瓷层，提供外壳，控制烧结过程中的热量散失，热反应释放的热量由内而外传播，使每个单个聚丙烯腈纤维都可以碳化成碳纳米管。4)本专利技术制备的碳纳米管直径较大，直径均大于150nm，约为200nm，大管径更有益于后续碳纳米管复合材料的制备，利用
碳纳米管所特有的超大管径结构提供内外双界面增加与基体的接触面积，并改进其电磁吸收、污染物吸附、导电传热等特性。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例1制备得到的二维碳化钛复合的聚丙烯腈前驱体纤维的扫描电镜图(放大倍数分别为1万倍和10万倍)。
[0022]图2是本专利技术实施例1制备得到的二维碳化钛复合的聚丙烯腈前驱体纤维浸渍陶瓷溶胶后未烧结前的扫描电镜图(放大倍数分别为2千倍和2万倍)。
[0023]图3是本专利技术实施例1制备得到的二维碳化钛复合的聚丙烯腈前驱体纤维浸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将聚丙烯腈、二维碳化钛和N,N
‑
二甲基甲酰胺混合均匀，制备得到二维碳化钛复合的聚丙烯腈纺丝前驱体溶液；(2)将二维碳化钛复合的聚丙烯腈纺丝前驱体溶液通过静电纺丝的方法制备得到二维碳化钛复合的聚丙烯腈前驱体纤维；(3)将二维碳化钛复合的聚丙烯腈前驱体纤维浸渍陶瓷溶胶，然后在惰性保护气体中高温烧结得到包裹陶瓷层的样品；(4)将包裹陶瓷层的样品通过刻蚀表面的陶瓷层，得到所述管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管。2.根据权利要求1所述的管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述聚丙烯腈、二维碳化钛和N,N
‑
二甲基甲酰胺的质量比为1：0.001
‑
0.01：8
‑
12。3.根据权利要求1所述的管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管的制备方法，其特征在于，步骤(2)具体为：将聚丙烯腈纺丝前驱体溶液注入到静电纺丝机中，调节相关的电纺工艺参数，电纺后得到聚丙烯腈前驱体纤维。4.根据权利要求3所述的管壁复合二维碳化钛的大管径碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述电纺工艺参数为：纺丝液出液速度为0.5
‑
2ml/h，电压为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建军，吕海宝，熊雅媛，尹维龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：