《氣相紡絲可控制備多級結構碳納米管纖維組裝研究》是依託天津大學，由李亞利擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氣相紡絲可控制備多級結構碳納米管纖維組裝研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李亞利
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氣相紡絲法以催化反應在氣流中生長碳納米管通過原位組裝形成連續碳納米管纖維。採用該方法不僅可一步製備均勻緻密的碳納米管纖維，還可獲得多層、空心和網路連線等特殊結構的碳納米管纖維，這些多級結構纖維有望用於發展新型納米複合材料和功能材料。發展氣相紡絲法可控制備多級結構碳管纖維提出了碳納米管在氣相中組裝的基本科學問題。本項目以可控制備新型多級結構碳納米管纖維為目的，提出通過合成反應和反應場探測，研究碳納米管在氣相中的組裝機理，探明碳管在氣流中的組裝及其關鍵控制，在此基礎上，可控制備具有空心和多層等多級結構的碳管纖維，為發展新型多功能碳納米纖維提供基礎。課題擬採用光學成像、原位探測結合計算模擬研究碳管組裝的氣流場和溫度場，進而通過合成反應和氣流控制碳納米管氣相組裝的形態，經紡絲製備具有特定多級結構的碳管纖維，研究反應控制、纖維結構，將纖維用於製備納米複合材料和儲能、光電功能柔性纖維及其多功能織物。
結題摘要
氣相紡絲法依據高溫催化反應氣流中生長的碳納米管自發聚集和組裝形成連續體經纏繞成絲形成連續的碳納米管纖維,是一步製備連續碳納米管纖維的方法，該方法自2004年建立以來，成為目前廣泛採用的製備連續碳納米管纖維的方法，近年來發展迅速，並已實現了產業化。在本項目立項期間(2013-2016)，國內外研究明顯增多，大部分為一般性工藝研究，英國劍橋大學進行了反應區的數值模擬和反應現象分析，尚未見針對碳管氣相流中的組裝現象和機理的專門研究。認識碳納米管在氣流中的組裝，揭示碳納米管的氣相組裝機理，是從根本上控制碳管纖維的結構和提高纖維的性能的關鍵。本項目按照計畫書項目目標和內容，圍繞碳納米管在氣流中的組裝的主題，通過研究合成反應、探測反應區溫度場和流場、纖維結構，揭示了氣相流中碳管的生長和組裝機理，進而研究了反應場控制、紡絲方法和設計反應器，取得可控連續製備多種結構和形態的連續碳納米管纖維，獲得萬米級連續的碳納米管纖維材料、製備方法和系統。 主要研究內容和結果： (1)研究了合成反應體系、氣流和溫度對碳納米管生長和組裝形態的控制規律，發現乙醇/丙酮混合碳源中加入少量的水能增強催化反應效率，明顯促進碳納米管在氣流中的生長，確定了最佳的水助劑的含量(2-5 wt.%)，採用水助催化反應可控制備出單壁和雙壁連續碳納米管纖維。 (2)研究了氣相流反應的溫度場和流場，採用熱電偶、紅外測溫儀、光學熱成像和Fluent數值模擬，結合煙霧法，測量、分析和確定了靜態和動態氣相流反應器和反應區的溫度和氣流分布。 (3)研究了碳納米管的生長和組裝位置，採用原位取樣、硬物干擾和多路氣流設計，確定了碳納米管的組裝體形成位在爐上沿下方35-45cm處，碳納米管生長和組裝區在6-35cm處。採用雙爐注射觀察到一爐雙絲跡象。 (4)根據碳管生長和組裝溫度場和流場要求，設計出環繞氣流環和三段分段控溫爐，研究了組裝體不同入水深纖維的形態，發現入水淺形成空心纖維，入水深成實心纖維，進而研製出自動撲絲機械，可控制備出萬米級連續的結構可控的碳納米管纖維。 (5)利用纖維製備高導電實心空心金屬/碳納米管複合纖維。採用環形注氣製備出透明導電雙層和多層薄膜，用於製備透明固態拉伸超電容。採用水助反應原位切割製備出石墨烯條帶纖維。獲得4項授權發明專利。培養5名研究生。應邀在國際應邀在國際碳材料大會作分會特邀報告。
