专利名称：一种单一旋向占优的螺旋形炭纤维的制备方法及专用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种螺旋形炭纤维的制备方法及专用装置，适用于制备单一旋向占优螺旋形炭纤维。
背景技术：
螺旋形炭纤维是一种具有手性结构的炭纤维，不仅具有普通炭纤维所具有的高强度、高比模量、低密度、优良的电性能和物理化学稳定性等优异性能，可应用于微电子器件、电磁屏蔽、电磁干扰、结构增强、催化剂载体等领域，而且其特有的手性结构使其在吸波材料领域具有广阔的应用前景。
目前，国内外基本上是采用化学气相沉积的方法以镍片或镍粉等为催化剂、S或P为生长促进剂，在600-1023K的温度范围内催化热解乙炔制备螺旋形炭纤维。此外，V.K.Varadan等人采用微波辅助化学气相沉积法制备出螺旋形炭纤维，以镍粉为催化剂，涂抹在碳化硅基片上，在不含硫生长促进剂的条件下，973K催化热解乙炔。该方法最大的特点是减少了有毒生长促进剂的含量，但是该方法所用设备和工艺复杂。
以上两种方法，所制得的螺旋形炭纤维产物中具有左手螺旋和右手螺旋的炭纤维的数量基本相同，从而使其手性结构特征在吸波材料等领域不能充分发挥作用，因此单一旋向螺旋形炭纤维的研制成为一项具有突破性意义的工作。为此，S.Motojima等人分别发明了外加偏压和旋转基片法。采用外加偏压的方法，不仅可加速乙炔的分解而且还可提高纤维的产量。用旋转基片法制备螺旋形炭纤维时，是将Ni催化剂涂抹在能旋转的基片上，试图通过基片的顺时针旋转或逆时针旋转，制备单纯的左旋或右旋的螺旋形炭纤维。此法以H2+N2+乙炔+噻吩作为反应气，在1043K反应两个小时，所得产物非常纯净，但产量低于用传统基体法制得的螺旋形炭纤维。通过对产物手性的研究表明，这两种方法仍无法得到单一旋向占优螺旋形炭纤维。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单一旋向占优螺旋形炭纤维的制备方法及专用装置。采用外加磁场的方法，通过控制磁场的大小、方向以及反应参数获得单一旋向占优的螺旋形炭纤维，且所获单一旋向占优螺旋形炭纤维的旋向、直径、螺径、长度等可控。
本发明的技术方案是一种单一旋向占优的螺旋形炭纤维的制备方法，该方法是在反应区外加磁场的作用下，以过渡金属及其合金为催化剂，氢气、氩气、氮气之一种或数种的混合气体为缓冲气，含硫化合物为生长促进剂，在一定温度下催化热解碳源，制备出单一旋向占优螺旋形炭纤维。其中所述磁场强度在20mT-6T范围内；所述碳源为一氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔、苯或其它小分子碳氢化合物；所述缓冲气为氢气、氮气、氩气之一或数种的混和气，缓冲气与碳源的流量比在(1～4)1范围内；所述催化剂为铁、钴、镍等过渡金属及其合金；所述生长促进剂为噻吩或H2S，其流量占反应气总流量的0.01～3％；所述反应温度为773K～1273K，反应时间为10～300分钟。
一种制备单一旋向占优螺旋形炭纤维的专用装置，包括碳源瓶、缓冲气瓶、生长促进剂容器、导电线圈、炉体、承载催化剂的基片、炉管，碳源瓶、缓冲气瓶通过管路与炉管连通，碳源瓶与炉管连接的管路上设有生长促进剂容器，炉管设在炉体的中央位置，炉体外缠绕导电线圈，承载催化剂的基片置于炉管内。在加入碳源的同时加入生长促进剂，通过控制流经导电线圈电流的大小和方向来控制磁场的大小和方向。
本发明的有益效果如下1、本发明单一旋向占优螺旋形炭纤维的制备方法，在外加磁场的作用下，以Fe、Co、Ni等过渡金属及其合金为催化剂，氢气、氩气、氮气之一种或数种的混合气体为缓冲气，含硫化合物为生长促进剂，在一定温度下催化热解一氧化碳、乙炔、乙烯、甲烷或苯等小分子碳氢化合物制备出单一旋向占优螺旋形炭纤维，所得单一旋向螺旋形炭纤维在产物中的比例高于65％以上，且所获单一旋向占优螺旋形炭纤维的旋向、直径、螺径、长度等可控。
2、本发明装置简单、工艺参数易控制，产物均匀、产量大、纯度高。产物在吸波材料、微电子器件、电磁屏蔽、结构增强、催化剂载体等领域，具有广阔的应用前景。
图1.为本发明制备单一旋向占优螺旋形炭纤维所用装置结构示意图。
图2.实施例1中制备的单一旋向占优螺旋形炭纤维电镜照片。(左旋率约为80％)图3.实施例2中制备的单一旋向占优螺旋形炭纤维电镜照片。(右旋率约70％)图4.实施例3中制备的单一旋向占优螺旋形炭纤维电镜照片。(左旋率约为88％)图5.实施例4中所制备的单一旋向占优螺旋形炭纤维电镜照片。(右旋率约为93％)图6.实施例5中所制备的单一旋向占优单螺旋炭纤维电镜照片。(左旋率约为70％)具体实施方式
实施例1如图1所示，本发明装置由碳源瓶1、缓冲气瓶2、生长促进剂容器3、导电线圈4、炉体5、承载催化剂的基片6、炉管7等组成。碳源瓶1、缓冲气瓶2通过管路与炉管7连通，碳源瓶1与炉管7连接的管路上设有生长促进剂容器3，炉管7设在炉体5的中央位置，炉体5外缠绕导电线圈4，承载催化剂的基片6置于炉管7内。在加入碳源的同时加入生长促进剂，磁场大小和方向由通过导电线圈的电流大小和方向来控制。
反应区施加正方向磁场，强度为300mT；碳源为乙炔，流量为60sccm；缓冲气为氢气，流量为120sccm；噻吩为生长促进剂，流量为1sccm，占反应气总流量的0.55％；催化剂为纳米级镍粉；反应温度为1023K；反应时间为40分钟；电镜下观察表明，产物为左手旋向占优的螺旋炭纤维，左手螺旋在产物中的比例约为80％(图2)。
实施例2装置如图1。
反应区施加反方向磁场，强度为100mT；碳源为乙炔，流量为70sccm；缓冲气为氢气，流量为70sccm；噻吩为生长促进剂，流量为1.5sccm，占反应气总流量的1％；催化剂为纳米级镍粉；反应温度为1023K；反应时间为40分钟；电镜下观察表明，产物为右手旋向占优的螺旋形炭纤维，右手螺旋在产物中的比例约为73％(图3)。
实施例3装置如图1。
反应区施加正方向磁场，强度为500mT；碳源为乙炔，流量为20sccm；缓冲气为氢气与氩气的混合气，流量为60sccm；噻吩为生长促进剂，流量为0.3sccm，占反应气总流量的0.37％；催化剂为镍粉；反应温度为1033K；反应时间为60分钟；电镜下观察表明，产物为左手旋向占优螺旋炭纤维，左手螺旋在产物中的比例约为88％(图4)。
实施例4装置如图1。
反应区施加反方向磁场，强度为1T；碳源为乙炔，流量为40sccm；缓冲气为氢气，流量为120sccm；H2S为生长促进剂，流量为0.6sccm，占反应气总流量的0.37％；催化剂为纳米级镍粉；反应温度为1033K；反应时间为60分钟；电镜下观察表明，产物为右手占优螺旋炭纤维，右手螺旋在产物中的比例约为93％(图5)。
实施例5装置如图1。
反应区施加正方向磁场，强度为100mT；碳源为一氧化碳，流量为30sccm；缓冲气为氢气和氮气的混合气，流量为120sccm；H2S为生长促进剂，流量为4sccm，占反应气总流量的2.6％；催化剂为CoNi合金粉；反应温度为1273K；反应时间为120分钟；电镜下观察表明，产物为左手占优的单螺旋炭纤维，左手螺旋在产物中的比例约为70％(图6)。
权利要求
1.一种单一旋向占优螺旋形炭纤维的制备方法，其特征在于在外加磁场的作用下，以过渡金属及其合金为催化剂，氢气、氩气、氮气之一种或数种的混合气体为缓冲气，含硫化合物为生长促进剂，以乙炔、一氧化碳、乙烯、甲烷或苯为碳源，在反应温度为773K-1273K下使碳源催化热解，反应时间为10～300分钟，制备出单一旋向占优螺旋形炭纤维。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述外加磁场强度在20mT-6T。
3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述催化剂为过渡金属铁、钴、镍或其合金。
4.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述缓冲气与碳源气体流量比为(1～4)∶1。
5.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述含硫生长促进剂为噻吩或H2S，其流量为反应气总流量的0.01-3％。
6.一种制备单旋向占优螺旋形炭纤维的专用装置，其特征在于包括碳源瓶(1)、缓冲气瓶(2)、生长促进剂容器(3)、导电线圈(4)、炉体(5)、承载催化剂的基片(6)、炉管(7)，碳源瓶(1)、缓冲气瓶(2)通过管路与炉管(7)连通，碳源瓶(1)与炉管(7)连接的管路上设有生长促进剂容器(3)，炉管(7)设在炉体(5)的中央位置，炉体(5)外缠绕导电线圈(4)，承载催化剂的基片(6)置于炉管(7)内。
全文摘要
本发明涉及一种单一旋向占优螺旋形炭纤维的制备方法及专用装置，该方法在外加磁场的作用下，以Fe、Co、Ni等过渡金属及其合金为催化剂，氢气、氩气、氮气之一种或数种的混合气体为缓冲气，含硫化合物为生长促进剂，在一定温度下催化热解一氧化碳、乙炔、乙烯、甲烷或苯等小分子碳氢化合物，制备出单一旋向占优螺旋形炭纤维，且所获单一旋向占优螺旋形炭纤维的旋向、直径、螺径、长度等可控。该装置包括碳源瓶、缓冲气瓶、生长促进剂容器、导电线圈、炉体、承载催化剂的基片、炉管等。该装置简单、工艺参数易控制，产物均匀、产量大、纯度高，产物在吸波材料、微电子器件、电磁屏蔽、结构增强、催化剂载体等领域，具有广阔的应用前景。
文档编号D01F9/133GK1924125SQ20051004711
公开日2007年3月7日 申请日期2005年8月31日 优先权日2005年8月31日
发明者杜金红, 成敬豹, 白朔, 王立达, 成会明 申请人:中国科学院金属研究所