[发明专利]一种在超临界水中碳纤维表面生长TiO2NWs的制备方法

摘要

一种在超临界水中碳纤维表面生长TiO₂NWs的制备方法，它涉及一种碳纤维改性的方法。本发明的目的是要解决现有在碳纤维表面生长纳米线需要高温环境，严重损伤碳纤维的本体强度和操作繁琐，不易实施的问题。方法：一、制备TiO₂溶胶；二、碳纤维抽提处理；三、碳纤维的氧化处理；四、碳纤维表面TiO₂薄膜的制备；五、利用超临界水热法在碳纤维表面生长TiO₂NWs，得到表面生长TiO₂NWs的碳纤维。本发明制备的表面生长TiO₂NWs的碳纤维的界面剪切强度为96.0MPa～104MPa。本发明可获得一种在超临界水中碳纤维表面生长TiO₂NWs的制备方法。

主权项

一种在超临界水中碳纤维表面生长TiO₂NWs的制备方法，其特征在于一种在超临界水中碳纤维表面生长TiO₂NWs的制备方法是按以下步骤完成的：一、制备TiO₂溶胶：将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中，再加入二乙醇胺，再在搅拌速度为5r/min～10r/min下搅拌0.5h～2h，得到反应液A；将质量分数为1％～2％的聚乙二醇水溶液以1滴/min～3滴/min的滴加速度滴加到反应液A中，再在搅拌速度为5r/min～10r/min下搅拌5h～10h，得到透明的TiO₂溶胶；步骤一中所述的无水乙醇与钛酸四丁酯的体积比为(1.25～10):1；步骤一中所述的无水乙醇与二乙醇胺的体积比为(6～60):1；步骤一中所述的质量分数为1％～2％的聚乙二醇的质量与反应液A的体积比为1g:(10mL～400mL)；二、碳纤维抽提处理：①、将碳纤维放入装有丙酮的索氏提取器中，在温度为75℃～85℃的条件下使用丙酮清洗去除碳纤维表面的杂质，清洗时间为2h～8h，将清洗后的碳纤维取出，得到丙酮清洗后的碳纤维；②、将步骤二①得到的丙酮清洗后的碳纤维置于超临界装置中，在温度为350℃～370℃和压力为8MPa～14MPa的超临界丙酮‑水体系中浸泡20min～30min，得到去除环氧涂层后的碳纤维；步骤二②中所述的超临界丙酮‑水体系中丙酮与水的体积比为5:1；③、将步骤二②得到的去除环氧涂层后的碳纤维置于索氏提取器中，在温度为75℃～85℃的条件下使用丙酮清洗去除环氧涂层后的碳纤维，清洗时间为2h～4h；将清洗后的碳纤维取出，在温度为70℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥清洗后碳纤维；三、碳纤维的氧化处理：①、将步骤二③得到的干燥清洗后碳纤维浸渍到过硫酸钾/硝酸银混合水溶液中，加热至60℃～80℃，再在温度为60℃～80℃的条件下恒温1h～2h，得到氧化后的碳纤维；所述的过硫酸钾/硝酸银混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L；所述的过硫酸钾/硝酸银混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L～0.005mol/L；步骤三①中所述的干燥清洗后碳纤维的质量与过硫酸钾/硝酸银混合水溶液的体积比为0.1g:(8mL～12mL)；②、室温条件下将步骤三①得到的氧化后的碳纤维在蒸馏水中浸泡5min～10min，将经蒸馏水中浸泡后的碳纤维取出，弃除蒸馏水；所述的氧化后的碳纤维的质量与蒸馏水的体积比为(0.001g～0.006g):1mL；③重复步骤三②3次～5次，得到蒸馏水清洗后的氧化碳纤维；④将步骤三③得到的蒸馏水清洗后的氧化碳纤维在温度为70℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥后的氧化碳纤维；⑤将步骤三④得到的干燥后的氧化碳纤维置于装有无水乙醇的索氏提取器中，在温度为90℃～100℃的条件下使用无水乙醇清洗氧化碳纤维，清洗时间为2h～4h，得到无水乙醇清洗的氧化的碳纤维；⑥将步骤三⑤得到的无水乙醇清洗的氧化的碳纤维在温度为70℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥的氧化碳纤维；四、碳纤维表面TiO₂薄膜的制备：①、将干燥的氧化碳纤维浸入到步骤一中得到的透明的TiO₂溶胶中，再在超声功率为150W～200W下超声5min～15min，再静置3min～10min，得到浸入TiO₂溶胶后的氧化碳纤维；将浸入TiO₂溶胶后的氧化碳纤维以10cm/min～20cm/min的提拉速度从透明的TiO₂溶胶中垂直提拉出来，得到表面含有TiO₂湿膜的氧化碳纤维；将表面含有TiO₂湿膜的氧化碳纤维放入温度为80℃～120℃下干燥20min～40min，再自然冷却至室温，得到表面含有TiO₂薄膜的氧化碳纤维；②、将表面含有TiO₂薄膜的氧化碳纤维浸入到透明的TiO₂溶胶中，再在超声功率为150W～200W下超声5min～15min，再静置3min～10min，得到浸入溶胶后的表面含有TiO₂薄膜的碳纤维；将浸入溶胶后的表面含有TiO₂薄膜的碳纤维以10cm/min～20cm/min的提拉速度从透明的TiO₂溶胶中垂直提拉出来，再放入温度为80℃～120℃下干燥20min～40min，再自然冷却至室温；③、重复步骤四②2次～4次，得到表面含有厚度为50nm～100nm的TiO₂薄膜的碳纤维；五、利用超临界水热法在碳纤维表面生长TiO₂NWs：①、制备前驱物溶液：将钛酸四丁酯与质量分数为36％～37％的盐酸混合，再加入去离子水，再在搅拌速度为5r/min～10r/min下搅拌2h～5h，得到前驱物溶液；步骤五①中所述的钛酸四丁酯与质量分数为36％～37％的盐酸的体积比为(0.025～0.2):1；步骤五①中所述的质量分数为36％～37％的盐酸与去离子水的体积比为1:1；②、将前驱物溶液加入到水热反应釜中，再将步骤四③中得到的表面含有厚度为50nm～100nm的TiO₂薄膜的碳纤维浸入到水热反应釜中，在将水热反应釜进行密封；再将密封的水热反应釜放入盐浴炉中，再在温度为370℃～380℃和压力为22MPa～25MPa下加热10min～30min；③、将温度为370℃～380℃的密封的水热反应釜从盐浴炉中取出，再在室温下自热冷却10min～30min，再使用冷水喷淋将封闭的水热反应釜降温至室温，打开密封的水热反应釜，取出反应后的碳纤维；④、分别使用去离子水和无水乙醇对反应后的碳纤维清洗3次～5次，再分别放入去离子水和无水乙醇中分别超声处理1h～5h，再在室温下自然晾干，得到表面生长TiO₂NWs的碳纤维；步骤五④中所述的超声处理的超声功率为100W～150W。