СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЛИННЫХ ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЖГУТОВ УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН
PROCEDURE FOR FABRICATING LONG ORIENTED BRAIDS OF CARBON NANO-FIBRES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области получения наноструктур и может быть использовано при создании высокопрочных комплексных углеродных нитей и в качестве компонента композиционных материалов, применяемых в авто и/или авиастроении.
Уровень техники
Настоящее изобретение направлено на получение длинных ориентированных жгутов углеродных нановолокон длиной порядка 7-20 см методом каталитического химического осаждения из газовой фазы (catalytic chemical vapor deposition - CCVD).
3
Углеродные нановолокна обладают комплексом уникальных свойств, обусловленных химическими и структурными характеристиками, к которым относятся малая величина диаметра, цилиндрическая структура и высокий фактор формы (отношение длины углеродного нановолокна к его диаметру). Углеродные нановолокна характеризуются экстремально высокой прочностью (~150 ГПа), модулем Юнга (~600 ГПа), низкой плотностью (~2 г/см), высокой химической стабильностью, термо- и электропроводностью.
Углеродные нановолокна (УНВ) имеют трубчатое строение, состоящее из множества вложенных друг в друга углеродных нанотрубок (УНТ), которые представляют собой мономолекулярные образования. УНВ могут состоять из нанотрубок, имеющих от одного до 100 трубчатых мономолекулярных слоев/стенок. Геометрическими характеристиками углеродных нановолокон являются: количество углеродных мономолекулярных слоев/стенок; внешний диаметр; диаметр внутреннего канала; длина УНВ; фактор формы.
Основными способами получения углеродных нановолокон являются электродуговой, лазерный, электролизный и каталитический. В промышленности обычно используют каталитический метод, который позволяет применять сравнительно простое оборудование, организовать непрерывный режим синтеза, получать углеродные нановолокна с высоким выходом [Ando Y, Zhao X, Sugai T, Kumar M: Growing carbon nanotubes. Materials Today 22-29 (2004)]. Сущность процесса заключается в том, что углеродсодержащий газ (прекурсор углерода) подвергается разложению на металлическом катализаторе при температурах от 500 до 1500°С. Процесс проводят одним из двух методов: выращиванием волокна на подложке либо выращиванием волокна в потоке газа [Мордкович В.З. Сверхвысокопрочные углеродные нановолокна. Химическая промышленность, 2, 12-21 (2003)].
Углеродные наноматериалы, в частности углеродные нановолокна, являются одними из наиболее перспективных материалов для различных применений, а именно для применения в производстве сенсоров, дисплеев, углерод-литиевых батарей для компьютеров и сотовых телефонов, стартовых конденсаторов для электроники, биоматериалов, а также сорбционных материалов и систем хранения водорода. Однако наиболее актуальным применением УНВ является их использование при создании конструкционных и функциональных композиционных материалов различного назначения, а также высокопрочных и высокомодульных углеродных комплексных нитей. Основная проблема использования УНВ на макроскопическом уровне связана с их ограниченной длиной.
Известен способ синтеза массива углеродных нанотрубок (УНТ) методом CVD и прядение их в нити и ленты [патент WO 2007/015710 A2]. Этот метод заключается в изготовлении массива ровных углеродных нанотрубок пиролизом ацетилена при 680°С на железном катализаторе, нанесенном на кремниевую подложку методом электронн-олучевого напыления, с последующим прядением из массива УНТ нитей. Недостатками этого метода являются трудность масштабирования и дороговизна, обусловленная применением при прядении наноразмерных устройств.
Известен способ получения массива выровненных многослойных нанотрубок длиной порядка 6 мм методом выращивания наноструктур в потоке газа в вертикальном реакторе проточного типа. В качестве прекурсора углерода использовался ксилол, в качестве прекурсора катализатора - ферроцен, который подавали в реакционную зону с температурой 850°С вместе с ксилолом при помощи газа-носителя: смеси аргона с водородом [X-F. Zhang et al.: Rapid growth of well-aligned carbon nanotubes arrays. Chemical Physics Letters, 362 (2002), 285-290]. К недостаткам этого метода относятся малая длина углеродных структур и отсутствие ориентации.
Известен способ получения сантиметровых разветвленных жгутов углеродных нановолокон методом CCVD толуола при температуре 1000-1200°С и расходе газа 1000-2500 мл/мин с использованием в качестве прекурсора катализатора - ферроцена [X-Y.Guo: Macroscopic multi-branched carbon trees generated from chemical vapor deposition of toluene. Carbon, 43 (2005), 1084-1114]. Недостатком этого метода является разветвленная, сильно дефектная структура получаемых углеродных наноструктур.
Известен способ выращивания углеродных нанотрубок, характеризующихся отношением длины нанотрубки к ее диаметром 10000 и более, пиролизом смеси водорода с углеродсодержащими соединениями на катализаторах на основе металлов VIII группы, нанесенных методом термической декомпозиции при температуре менее 1200°С на химически-совместимый огнеупорный материал, например окись алюминия, кварц, кремний, углерод или силикаты [заявка на изобретение RU 2006111408 A]. Процесс зарождения нанотрубки обеспечивают применением катализатора, а дальнейший рост волокна ведут без участия катализатора из углеродсодержащей газовой среды, поддерживая ее параметры внутри реактора ниже порога сажеообразования. К недостаткам данного способа можно отнести микроразмерность получаемых нанотрубок по длине, плохую ориентацию и чистоту.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является синтез жгутов однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) каталитическим разложением н-гексана, содержащего в качестве активирующей добавки 0,4 мас.% тиофена, в вертикальном реакторе проточного типа, с вводом катализатора (ферроцена) в виде взвеси в жидком углеводороде [патент WO/2003/072859]. Недостатками прототипа являются получение жгутов ОУНТ длиной до 20 см в виде комка перепутанных нитей, а также однослойная структура получаемых материалов, которая затрудняет использовании химической и термической обработки, необходимой при их дальнейшем использовании для создания высокопрочных комплексных углеродных нитей и композиционных материалов.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании высокоэффективного способа получения длинных ориентированных жгутов углеродных нановолокон длиной порядка 7-20 см.
Технический результат заключается в получении длинных ориентированных жгутов углеродных нановолокон с многослойной структурой.
Технический результат достигается тем, что катализатор роста углеродных нановолокон после его предварительной высокотемпературной обработки помещают в реактор, нагревают реакционную зону до температуры пиролиза подаваемой в реактор углеродсодержащей парогазовой смеси, включающей активаторы на основе серосодержащих или кислородсодержащих соединений, и выдерживают при температуре пиролиза до образования вышеуказанных жгутов, затем реактор охлаждают. Линейная скорость подачи углеродсодержащей парогазовой смеси находится в интервале от 20 до 300 мм/с.
В настоящем изобретении получение длинных ориентированных жгутов углеродных нановолокон достигается за счет совокупности технологических приемов, которые заключаются в предварительной высокотемпературной обработке катализатора, использовании углеродсодержащей газовой среды заданного состава и подачи углеродсодержащей газовой среды в реакционную зону с высокой линейной скоростью.
Предварительная высокотемпературная обработка катализатора может осуществляться в токе воздуха или инертного газа при 1200-1300°С.
Температура пиролиза может находиться в интервале 1000-1150°С.
В качестве углеродсодержащей парогазовой смеси может использоваться смесь, содержащая водород, ароматические соединения и предельные и/или непредельные углеводороды. Объем предельных и/или непредельных углеводородов может составлять не более 30% от общего объема газов.
В качестве ароматических соединений может использоваться бензол, толуол или ксилол, либо их смесь.
В качестве предельных и/или непредельных углеводородов может использоваться метан, этан, пропан, ацетилен или этилен, либо их смесь.
В качестве активаторов на основе серосодержащих или кислородсодержащих соединений может использоваться тиофен, этанол или ацетон.
Катализатор роста углеродных нановолокон может быть получен пропиткой в две или более стадии подложки, состоящей из оксида алюминия водным или спиртовым раствором солей металлов VI и/или VIII групп Периодической системы Д.И.Менделеева.
В качестве солей металлов VI и/или VIII групп Периодической системы Д.И.Менделеева используют соли железа, кобальта, никеля.
Осуществление изобретения
Катализатор для синтеза длинных ориентированных жгутов углеродных нановолокон методом CCVD готовят пропиткой в две или более стадии пластины носителя водным раствором соли металла с промежуточными термическими обработками в токе воздуха или инертного газа при 1200-1300°С.
На первой стадии приготовления катализатора готовят носитель. Для этого проводят многостадийную очистку и отжиг пластин на основе оксида алюминия. Затем на очищенные пластины методом пропитки в две или более стадии наносят активный компонент катализатора - железо, кобальт, молибден, никель или их смеси. Для этого пластины помещают в водный или спиртовой раствор солей названных металлов, выдерживают в течение заданного количества времени, высушивают при комнатной или повышенной температуре на воздухе. На заключительной стадии подготовки катализатора осуществляют его отжиг при температуре 1000-1300°С в токе воздуха или инертного газа, в результате которого формируется катализатор, позволяющий синтезировать длинные ориентированные жгуты углеродных нановолокон.
На фиг.1 изображена принципиальная схема установки синтеза углеродных нановолокон с горизонтальным расположением реактора.
На фиг.2 изображена принципиальная схема установки синтеза углеродных нановолокон с вертикальным расположением реактора.
На фиг.3 изображена оптическая фотография массива длинных жгутов ориентированных углеродных нановолокон.
На фиг.4 изображена оптическая фотография отдельного длинного жгута углеродных нановолокон, состоящего их множества индивидуальных углеродных нановолокон.
На фиг.5 изображен снимок индивидуального углеродного нановолокна, полученный методом просвечивающей электронной микроскопии.
Синтез длинных ориентированных жгутов нановолокон проводят в реакторе проточного типа. Принципиальная схема горизонтальной и вертикальной установок представлена на Фиг.1. и Фиг.2.
Синтез проводят с использованием соответствующего изобретению катализатора при атмосферном давлении. Катализатор, состоящий из подложки 20 и нанесенного на нее слоя активного компонента 21, загружают в рабочую зону реактора проточного типа 18, осуществляют сборку установки и продувку реактора в токе инертного газа в течение 15 минут. Обогрев реактора осуществляют электрической трубчатой печью 19 с максимальной рабочей температурой 1300°С, регулировку температуры осуществляют при помощи управляющего устройства печи 23. После продувки реактора температуру реакционной зоны в токе инертного газа со скоростью 5-10°С/мин повышают до 650°С и проводят активацию катализатора посредством восстановления в токе смеси водород-аргон (объемная скорость 50-100 мл/мин). Водород и аргон из газовых баллонов 1 и 2 через редукторы 4 и 5, краны 7 и 8, систему осушки 10 и 11, регуляторы расхода 13 и 14, по линиям подачи водорода и аргона поступают в узел смешения, а затем через линию питания реактора в реактор 18. После восстановления катализатора температуру поднимают со скоростью 5-10°С/мин до температуры проведения синтеза (1000-1150°С) в токе смеси водород-аргон с соотношением 2:1. Синтез проводят при 1000-1150°С в течение 0,5-6 часов.
Углеродсодержащие ароматические соединения, например толуол, бензол, ксилол, а также их смесь, предварительно смешанные с активаторами на основе серосодержащих или кислородсодержащих соединений, например тиофеном, этанолом, ацетоном из емкости 16 насосом 17 подаются в линию питания реактора, где смешивается с водородом или его смесью с углеродсодержащими неароматическими соединениями и подаются в реакционную зону реактора 18 с линейной скоростью от 20 до 300 мм/с.
Углеродсодержащие неароматические соединения, например метан, этан, пропан, ацетилен, этилен, а также их смесь, подаются из газового баллона 3 через редуктор 6, кран 9, систему осушки 12, регулятор расхода газа 15, по линиям подачи газов поступают в узел смешения, где смешиваются с водородом, а затем через линию питания реактора поступают в реактор 18. После окончания синтеза отключают подачу источников углерода и водорода, включают подачу инертного газа и осуществляют охлаждение реактора в токе инертного газа до комнатной температуры. Затем отключают подачу инертного газа и выгружают катализатор с выросшим на его поверхности слоем длинных углеродных нановолокон 22.
Ниже представлены примеры получения длинных жгутов углеродных нановолокон предлагаемым способом.
Пример 1
2
4
3
2
2
3
Пластины на основе оксида алюминия промывают сначала в концентрированной соляной кислоте в течение 6-12 часов, затем промывают и кипятят в дистиллированной воде в течение 1-3 часов и сушат при комнатной или повышенной температуре (110-130°С) в течение 5 часов. Изготавливают водный раствор сульфата железа (III). Для этого 20 г Fe(SO)·9HO растворяют в 30 мл дистиллированной воды. В раствор помещают предварительно очищенные пластины на основе оксида алюминия и выдерживают в течение 24 часов при комнатной температуре. Затем пропитанные пластины сушат при температуре 100-130°С в течение 3 часов, разлагают в токе воздуха при 650°С в течение 2 часов, поднимая температуру до 650°С со скоростью 3-5°С/мин, прокаливают при 1300°С в течение 10 часов, поднимая температуру до 1300°С со скоростью 3-5°С/мин, и охлаждают в токе воздуха до комнатной температуры. Затем пластины подвергают вторичной пропитке в свежеизготовленном водном растворе сульфата железа (III) в течение 24 часов, сушат при температуре 110-130°С в течение 3 часов, разлагают в токе воздуха при 650°С в течение 2 часов, поднимая температуру до 650°С со скоростью 3-5°С/мин, прокаливают при 1300°С в течение 10 часов, поднимая температуру до 1300°С со скоростью 3-5°С/мин, и охлаждают в токе воздуха до комнатной температуры. Компонентный состав катализатора, полученный описанным способом: Fe - 5 мас.%, AlO - 95 мас.%.
Пример 2.
2
4
3
2
2
3
Пластины на основе оксида алюминия предварительно подготавливают описанным в Примере 1 способом. Изготавливают спиртовой раствор сульфата железа (III). Для этого 20 г Fe(SO)·9HO растворяют в 30 мл этанола. В раствор помещают предварительно очищенные пластины на основе оксида алюминия и выдерживают в течение 24 часов при комнатной температуре. Затем пропитанные пластины сушат при температуре 100-130°С в течение 3 часов, разлагают в токе воздуха при 650°С в течение 2 часов, поднимая температуру до 650°С со скоростью 3-5°С/мин, и охлаждают в токе воздуха до комнатной температуры. Затем пластины подвергают вторичной пропитке в свежеизготовленном спиртовом растворе сульфата железа (III) в течение 24 часов, сушат при температуре 110-130°С в течение 3 часов, разлагают в токе воздуха при 650°С в течение 2 часов, поднимая температуру до 650°С со скоростью 3-5°С/мин, прокаливают при 1300°С в течение 10 часов, поднимая температуру до 1300°С со скоростью 3-5°С/мин, и охлаждают в токе воздуха до комнатной температуры. Компонентный состав катализатора, полученный описанным способом: Fe - 10 мас.%, AlO - 90 мас.%.
Пример 3.
2
4
3
2
3
2
2
2
3
Пластины на основе оксида алюминия предварительно подготавливают описанным в Примере 1 способом. Изготавливают водный раствор смеси солей сульфата железа (III) и нитрата никеля (II) с массовым соотношением Fe:Ni=1:1. Для этого 10 г Fe(SO)·9HO и 10 г Ni(NO)·6HO растворяют в 30 мл дистиллированной воды. Предварительно подготовленные пластины оксида алюминия помещают в водный раствор солей и последующую обработку ведут в соответствии с описанной в Примере 1 методикой. Компонентный состав катализатора, полученный описанным способом: Fe - 2,5 мас.%, Ni - 2,5 мас.%, AlO - 95 мас.%.
Пример 4.
2
4
3
2
3
2
2
2
3
Катализатор готовят по методике, описанной в Примере 1. В качестве состава для пропитки пластин на основе оксида алюминия используют спиртовой раствор солей сульфата железа (III) и нитрата никеля (II) с массовым соотношением Fe:Ni=2:1. Для этого 13,3 г Fe(SO)·9HO и 6,7 г Ni(NO)·6HO растворяют в 30 мл этанола. Компонентный состав катализатора, полученный описанным способом: Fe - 10 мас.%, Ni - 5 мас.%, AlO - 85 мас.%.
Пример 5.
2
4
3
2
3
2
2
2
3
Катализатор готовят по методике, описанной в Примере 1 с использованием трехкратной пропитки. В качестве состава для пропитки пластин на основе оксида алюминия используют спиртовой раствор солей сульфата железа (III) и нитрата никеля (II) с массовым соотношением Fe:Ni=4:1. Для этого 16 г Fe(SO)·9HO и 4 г Ni(NO)·6HO растворяют в 30 мл этанола. Компонентный состав катализатора, полученный описанным способом: Fe - 20 мас.%, Ni - 5 мас.%, AlO - 75 мас.%.
Пример 6.
2
4
3
2
3
2
2
2
3
Катализатор готовят по методике, описанной в Примере 1 с использованием четырехкратной пропитки. В качестве состава для пропитки пластин на основе оксида алюминия используют спиртовой раствор солей сульфата железа (III) и нитрата кобальта (II) с массовым соотношением Fe:Co=1:1. Для этого 10 г Fe(SO)·9HO и 10 г Ni(NO)·6HO растворяют в 30 мл этанола. Компонентный состав катализатора, полученный описанным способом: Fe - 20 мас.%, Co - 20 мас.%, AlO - 60 мас.%.
Пример 7.
3
3
2
4
6
7
24
2
2
3
Катализатор готовят по методике, описанной в Примере 1 с использованием четырехкратной пропитки. В качестве состава для пропитки пластин на основе оксида алюминия используют водный раствор солей нитрата железа (III) и аммония молибденовокислого с массовым соотношением Fe:Mo=10:1. Для этого 19,5 г Fe(NO)·9HO и 0,5 г (NH)MoOHO растворяют в 30 мл дистиллированной воды. Компонентный состав катализатора, полученный описанным способом: Fe - 35 мас.%, Mo - 3,5 мас.%, AlO - 61,5 мас.%.
Пример 8.
2
2
2
6
5
3
4
4
Катализатор, изготовленный одним из описанных в Примерах 1-7 способах, загружают в рабочую зону реактора проточного типа, осуществляют сборку установки и продувку реактора в токе инертного газа - аргона с объемной скоростью 50 мл/мин в течение 15 минут. После продувки реактора температуру реакционной зоны в токе инертного газа повышают до 650°С со скоростью 5-10°C/мин и проводят восстановление катализатора в токе смеси H:Ar в соотношении 2:1 (объемная скорость 150 мл/мин). После восстановления катализатора температуру поднимают до 1050°С в токе смеси H:Ar в соотношении 2:1 (объемная скорость 150 мл/мин). Затем отключают подачу аргона, увеличивают расход водорода до 200 мл/мин, включают подачу смеси толуола с тиофеном (содержание тиофена составляет 0,5 мас.% на толуол) и проводят синтез при 1050°С в течение 3 часов. Расход смеси толуола с тиофеном составляет 0,05 мл/мин. Соотношение компонентов синтеза при этом составляет: H:CHCH:CHS=29,16:70,48:0,35 мас.%. По окончании синтеза отключают подачу водорода, смеси толуола с тиофеном, включают подачу инертного газа и осуществляют охлаждение реактора в токе аргона при объемной скорости 50 мл/мин до комнатной температуры. Затем отключают подачу аргона и выгружают катализатор с выросшим на его поверхности слоем длинных углеродных нановолокон. Длина ориентированных жгутов углеродных нановолокон составляет 7-10 см. Оптические фотографии полученных в результате синтеза жгутов углеродных нановолокон, свидетельствующие о высокой степени ориентации волокон, представлены на Фиг.3 и 4. На фотографии (Фиг.5), полученной с использованием просвечивающей электронной микроскопии, представлено изображение углеродных нановолокон, из которых состоят ориентированные жгуты, полученные в результате синтеза. Углеродные нановолокна представляют собой многослойные углеродные нанотрубки с количеством графеновых слоев от 10 до 30, внешним диаметром от 5 до 50 нм, внутренним каналом и фактором формы от 10000 до 100000.
Параметры проведения Примеров 8-15 получения длинных жгутов углеродных нановолокон предлагаемым способом представлены в таблице 1.
Параметры проведения Примеров 16-22 получения длинных жгутов углеродных нановолокон предлагаемым способом представлены в таблице 2.
Во всех случаях сборку реактора и восстановление катализатора ведут описанным в Примере 8 способом.
Таким образом, использование способа, описанного в Примерах 8-22, позволяет получать ориентированные жгуты углеродных нановолокон длиной до 20 см, состоящие из одиночных углеродных нановолокон, которые представляют собой многослойные углеродные нанотрубки с внешним диаметром от 5 до 100 нм и внутренним каналом.
Промышленная применимость
Изобретение относится к нанотехнологии и материаловедению и может использоваться при создании высокопрочных углеродных комплексных нитей и композиционных материалов, применяемых в авто и/или авиастроении.