一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法，本方法制备出的碳纳米纤维材料由于具有三维取向结构，相比于现有制备技术制备出的具有一维特性的碳纳米纤维材料，因此具有较高的热导率。

权利要求

1.一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施：步骤1、取一定量的硝酸铜溶解在去离子水中，配置成质量百分比为1-50%的硝酸铜溶液；

步骤2、在一定量的正硅酸乙酯中边搅拌边加入步骤1制备的硝酸铜溶液制成混合溶液，加入的硝酸铜溶液与正硅酸乙酯的质量比为0.5-2:1；

步骤3、将硝酸铜与正硅酸乙酯的混合溶液加热蒸发至混合溶液粘度值达到10-10000厘泊后，停止加热并将该混合溶液冷却至室温，冷却后的混合溶液凝结为蓝色固体凝胶；

步骤4、将蓝色固体凝胶放在烘箱中烘干，烘干温度设定在70-120℃；

步骤5、将烘干后的固体凝胶放在加热炉中，在加热炉升温的过程中通入氮气，氮气的通入时间为30-180分钟，当加热炉温度达到300-600℃后，保温5-60分钟，并在保温过程中通入氢气，保温时间过后加热炉停止加热，同时停止通入氢气，待加热炉冷却后收集加热后产物，即得到多孔状铜催化剂；

步骤6、将步骤5制得的多孔状铜催化剂放置在石英舟中，并放入加热炉进行加热，至加热炉温度达到300-700℃时，加热炉保温5-60分钟，并在保温过程中通入乙炔与氢气的混合气体，保温时间过后停止加热，同时停止通入乙炔与氢气的混合气体，在多孔状铜催化剂的表面形成黑色蓬松状物质，即为具有三维结构的碳纳米纤维材料。

说明书

一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法。

背景技术

[0002] 碳纳米纤维材料是一种新型的一维碳纳米材料，常被作为无机导热填料，加入到聚合物基体中提供集体的导热性能。碳纳米纤维材料是由纯碳原子以碳-碳σ键结合起来，因而表现出极其优异的电，热输运性能，现有制备技术制备出的碳纤维的传热具有明显的一维特性，即在轴向具有很高的热导率，但在径向其热导率很低，是径向热绝缘体，导致碳纳米纤维材料不能充分发挥其高热导率。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法，解决了现有制备方法只能制备具有一维导热特性的碳纳米纤维材料，导致碳纳米纤维材料不能充分发挥高热导率的问题。

[0004] 本发明所采用的技术方案是，一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法，按照以下步骤具体实施：

[0005] 步骤1、取一定量的硝酸铜溶解在去离子水中，配置成质量百分比为1-50%的硝酸铜溶液；

[0006] 步骤2、在一定量的正硅酸乙酯中边搅拌边加入步骤1制备的硝酸铜溶液制成混合溶液，加入的硝酸铜溶液与正硅酸乙酯的质量比为0.5-2:1；

[0007] 步骤3、将硝酸铜与正硅酸乙酯的混合溶液加热蒸发至混合溶液粘度值达到10-10000厘泊后，停止加热并将该混合溶液冷却至室温，冷却后的混合溶液凝结为蓝色固体凝胶；

[0008] 步骤4、将蓝色固体凝胶放在烘箱中烘干，烘干温度设定在70-120℃；

[0009] 步骤5、将烘干后的固体凝胶放在加热炉中，在加热炉升温的过程中通入氮气，氮气的通入时间为30-180分钟，当加热炉温度达到300-600℃后，保温5-60分钟，并在保温过程中通入氢气，保温时间过后加热炉停止加热，同时停止通入氢气，待加热炉冷却后收集加热后产物，即得到多孔状铜催化剂；

[0010] 步骤6、将步骤5制得的多孔状铜催化剂放置在石英舟中，并放入加热炉进行加热，至加热炉温度达到300-700℃时，加热炉保温5-60分钟，并在保温过程中通入乙炔与氢气的混合气体，保温时间过后停止加热，同时停止通入乙炔与氢气的混合气体，在多孔状铜催化剂的表面形成黑色蓬松状物质，即为具有三维结构的碳纳米纤维材料。

[0011] 本发明的有益效果是，制备方法简单易行，成本低廉，制备出的碳纳米纤维材料具有三维取向结构，能够充分发挥其高热导率。

附图说明

[0012] 图1是一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法制备的三维取向碳纳米纤维SEM图。

具体实施方式

[0013] 本发明为了提高碳纳米纤维材料的导热性能，提出一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法，具体制备方法步骤如下：

[0014] 步骤1、取一定量的硝酸铜溶解在去离子水中，配置成质量百分比为1-50%的硝酸铜溶液；

[0015] 步骤2、在一定量的正硅酸乙酯中边搅拌边加入步骤1制备的硝酸铜溶液制成混合溶液，加入的硝酸铜溶液与正硅酸乙酯的质量比为0.5-2:1；

[0016] 步骤3、将硝酸铜与正硅酸乙酯的混合溶液加热蒸发至混合溶液粘度值达到10-10000厘泊后，停止加热并将该混合溶液自然冷却至室温，冷却后的混合溶液凝结为蓝色固体凝胶；

[0017] 步骤4、将蓝色固体凝胶放在烘箱中烘干，烘干温度设定在70-120℃；

[0018] 步骤5、将烘干后的固体凝胶放在管式炉中加热，在管式炉升温的过程中通入氮气，氮气的通入时间为30-180分钟，当管式炉温度达到300-600℃后，保温5-60分钟，并在保温过程中通入氢气，保温时间过后管式炉停止加热，同时停止通入氢气，待管式炉冷却后收集加热后产物，即得到多孔状铜催化剂；

[0019] 步骤6、将步骤5制得的多孔状铜催化剂放置在石英舟中，并放入电加热炉进行加热，在电加热炉升温过程中通入氮气，氮气的通入时间为30-180分钟，当电加热炉温度达到300-700℃后，保温5-60分钟，并在保温过程中通入乙炔与氢气的混合气体，保温时间过后停止加热，同时停止通入乙炔与氢气的混合气体，待电加热炉自然冷却后取出炉中样品，在多孔状铜催化剂的表面形成黑色蓬松状物质，即为具有三维结构的碳纳米纤维材料。

[0020] 实施例1

[0021] 取10g硝酸铜溶解于20g去离子水中，配置成硝酸铜溶液。取20g正硅酸乙酯，边搅拌边向正硅酸乙酯中加入30g硝酸铜溶液制成混合溶液，并将该混合溶液加热蒸发至其粘度达到20厘泊后，停止加热并自然冷却至室温形成蓝色固体凝胶。将该蓝色固体凝胶放在100℃烘箱中加热烘干。

[0022] 将烘干后的固体凝胶放在管式炉中加热，在管式炉升温的过程中通入氮气，氮气的通入时间为30分钟，当管式炉温度达到300℃后，保温20分钟，并在保温过程中通入氢气，保温时间过后管式炉停止加热，同时停止通入氢气，待管式炉冷却后收集加热后产物，即得到多孔状铜催化剂。

[0023] 将多孔状铜催化剂放置在石英舟中，并放入电加热炉中加热，在电加热炉升温过程中并通入氮气，氮气的通入时间为60分钟，当电加热炉温度升至400℃后，保温20分钟，并在保温过程中通入乙炔与氢气的混合气体，保温时间过后停止加热，同时停止通入乙炔与氢气的混合气体，待电加热炉自然冷却后取出炉中样品，在多孔状铜催化剂的表面形成黑色蓬松状物质，即为具有三维结构的碳纳米纤维材料。

[0024] 实施例2

[0025] 取10g硝酸铜溶解于25g去离子水中，配置成硝酸铜溶液。取15g正硅酸乙酯，边搅拌边向正硅酸乙酯中加入35g硝酸铜溶液制成混合溶液，并将该混合溶液加热蒸发至其粘度达到120厘泊后，停止加热并自然冷却至室温形成蓝色固体凝胶。将该蓝色固体凝胶放在90℃烘箱中加热烘干。

[0026] 将烘干后的固体凝胶放在管式炉中加热，在管式炉升温的过程中通入氮气，氮气的通入时间为35分钟，当管式炉温度达到350℃后，保温30分钟，并在保温过程中通入氢气，保温时间过后管式炉停止加热，同时停止通入氢气，待管式炉冷却后收集加热后产物，即得到多孔状铜催化剂。

[0027] 将多孔状铜催化剂放置在石英舟中，并放入电加热炉中加热，在电加热炉升温过程中并通入氮气，氮气的通入时间为60分钟，当电加热炉温度升至450℃后，保温30分钟，并在保温过程中通入乙炔与氢气的混合气体，保温时间过后停止加热，同时停止通入乙炔与氢气的混合气体，待电加热炉自然冷却后取出炉中样品，在多孔状铜催化剂的表面形成黑色蓬松状物质，即为具有三维结构的碳纳米纤维材料。

[0028] 实施例3

[0029] 取10g硝酸铜溶解于30g去离子水中，配置成硝酸铜溶液。取35g正硅酸乙酯，边搅拌边向正硅酸乙酯中加入40g硝酸铜溶液制成混合溶液，并将该混合溶液加热蒸发至其粘度达到1000厘泊后，停止加热并自然冷却至室温形成蓝色固体凝胶。将该蓝色固体凝胶放在90℃烘箱中加热烘干。

[0030] 将烘干后的固体凝胶放在管式炉中加热，在管式炉升温的过程中通入氮气，通入时间为40分钟，当管式炉温度达到350℃后，保温40分钟，并在保温过程中通入氢气，保温时间过后管式炉停止加热，同时停止通入氢气，待管式炉冷却后收集加热后产物，即得到多孔状铜催化剂。

[0031] 将多孔状铜催化剂放置在石英舟中，并放入电加热炉中加热，在电加热炉升温过程中并通入氮气，氮气的通入时间为80分钟，当温度升至500℃后，保温40分钟，并在保温过程中通入乙炔与氢气的混合气体，保温时间过后停止加热，同时停止通入乙炔与氢气的混合气体，待电加热炉自然冷却后取出炉中样品，在多孔状铜催化剂的表面形成黑色蓬松状物质，即为具有三维结构的碳纳米纤维材料。

[0032] 实施例4

[0033] 取10g硝酸铜溶解于25g去离子水中，配置成硝酸铜溶液。取50g正硅酸乙酯，边搅拌边向正硅酸乙酯中加入35g硝酸铜溶液制成混合溶液，并将该混合溶液加热蒸发至其粘度达到2000厘泊后，停止加热并自然冷却至室温形成蓝色固体凝胶。将该蓝色固体凝胶放在90℃烘箱中加热烘干。

[0034] 将烘干后的固体凝胶放在管式炉中加热，在管式炉升温的过程中通入氮气，氮气的通入时间为45分钟，当管式炉温度达到500℃后，保温50并在保温过程中通入氢气，保温时间过后管式炉停止加热，同时停止通入氢气，待管式炉冷却后收集加热后产物，即得到多孔状铜催化剂。

[0035] 将多孔状铜催化剂放置在石英舟中，并放入电加热炉中加热，在电加热炉升温过程中并通入氮气，通入时间为60分钟，当电加热炉温度升至500℃后，保温50分钟，并在保温过程中通入乙炔与氢气的混合气体，保温时间过后停止加热，同时停止通入乙炔与氢气的混合气体，待电加热炉自然冷却后取出炉中样品，在多孔状铜催化剂的表面形成黑色蓬松状物质，即为具有三维结构的碳纳米纤维材料。

[0036] 实施例5

[0037] 取10g硝酸铜溶解于25g去离子水中，配置成硝酸铜溶液。取80g正硅酸乙酯，边搅拌边向正硅酸乙酯中加入35g硝酸铜溶液制成混合溶液，并将该混合溶液加热蒸发至其粘度达到5000厘泊后，停止加热并自然冷却至室温形成蓝色固体凝胶。将该蓝色固体凝胶放在90℃烘箱中加热烘干。

[0038] 将烘干后的固体凝胶放在管式炉中加热，在管式炉升温的过程中通入氮气，氮气通入时间为50分钟，当管式炉温度达到600℃后，保温60分钟，并在保温过程中通入氢气，保温时间过后管式炉停止加热，同时停止通入氢气，待管式炉冷却后收集加热后产物，即得到多孔状铜催化剂。

[0039] 将多孔状铜催化剂放置在石英舟中，并放入电加热炉中加热，在电加热炉升温过程中并通入氮气，氮气通入时间为90分钟，当温度升至700℃后，保温60分钟，并在保温过程中通入乙炔与氢气的混合气体，保温时间过后停止加热，同时停止通入乙炔与氢气的混合气体，待电加热炉自然冷却后取出炉中样品，在多孔状铜催化剂的表面形成黑色蓬松状物质，即为具有三维结构的碳纳米纤维材料。

[0040] 如图1所示是一种具有三维取向结构的碳纳米纤维材料的制备方法制备出的三维取向碳纳米纤维SEM图。图中白色的发亮点为铜催化剂，以铜催化剂为起点，具有向不同方向延伸的碳纳米纤维，形成了以同催化剂为基点，碳纳米纤维向不同方向延伸的具有三维取向结构的碳纳米纤维材料。

[0041] 将实施例1制成的具有三维结构的碳纳米纤维材料以质量百分比2%加入硅橡胶中，可以使橡胶基体热导率提高60%；采用市售的一维碳纳米纤维制备以相同质量分数加入到硅橡胶中。可以使橡胶基体的热导率提高48%。

[0042] 将实施例2制成的具有三维结构的碳纳米纤维材料以质量百分比3%加入硅橡胶中，可以使橡胶基体热导率提高80%；采用市售的一维碳纳米纤维制备以相同质量分数加入到硅橡胶中。可以使橡胶基体的热导率提高62%。

[0043] 将实施例3制成的具有三维结构的碳纳米纤维材料以质量百分比3%加入硅橡胶中，可以使橡胶基体热导率提高75%；采用市售的一维碳纳米纤维制备以相同质量分数加入到硅橡胶中。可以使橡胶基体的热导率提高62%。

[0044] 将实施例4制成的具有三维结构的碳纳米纤维材料以质量百分比2%加入硅橡胶中，可以使橡胶基体热导率提高80%；采用市售的一维碳纳米纤维制备以相同质量分数加入到硅橡胶中。可以使橡胶基体的热导率提高48%。

[0045] 将实施例5制成的具有三维结构的碳纳米纤维材料以质量百分比3%加入硅橡胶中，可以使橡胶基体热导率提高100%；采用市售的一维碳纳米纤维制备以相同质量分数加入到硅橡胶中。可以使橡胶基体的热导率提高62%。