一種多孔碳納米纖維的制備方法技術

本發明專利技術屬于功能材料領域，公開了一種多孔碳納米纖維的制備方法。所述制備方法為：先將聚合物加入溶劑中，攪拌，得到紡絲前驅液；然后設置參數，將紡絲前驅液進行靜電紡絲，得到納米纖維；在1～5℃/min升溫速率下，將納米纖維在空氣中于100～300℃預氧化2～5h，得到預氧化的納米纖維；最后在3～10℃/min的升溫速率下，將預氧化的納米纖維在惰性或還原性氣氛中于600～1400℃碳化2～5h，得到碳納米纖維。本法工藝簡單、成本低、產率高、環境友好，有利于工業化生產；同時所制備碳納米纖維孔徑分布和比表面積可控；并且碳納米纖維可應用于超級電容器、電池、催化劑及催化劑載體、吸附過濾材料等領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于功能材料領域，涉及納/微米纖維材料制備領域，具體涉及了一種以多種聚合物混合溶液做前驅液并通過靜電紡絲制備多孔碳納米纖維的制備方法。
技術介紹
碳納米纖維是一種新型碳材料，具有優異的物理性能和化學性能，如高的比表面積、較好的機械性能、較好的導電性、導熱性和熱穩定性，可廣泛被應用于高性能電極材料、高性能復合材料、催化劑材料等。制備碳納米纖維的方法有模板合成法、自組裝、相分離等，但是這些方法工藝復雜，成本高。靜電紡絲技術是一種簡單高效的可以使用聚合物制備納米纖維的方法，其制備的纖維直徑在幾十納米到幾個微米的范圍內。靜電紡絲裝置簡單、工藝可控、成本低廉，可大批量制備出直徑分布均勻形狀規則的納米纖維。另外，碳納米纖維在應用中表現出相對有效利用面積低的缺點。與傳統的單一聚合物靜電紡絲制備方法相比，使用多種聚合物混合靜電紡絲，可以根據不同聚合物的碳化過程的不同，通過對不同的聚合物進行合理配比，創造出不同的孔徑分布和比表面積，豐富材料的孔隙結構。
技術實現思路
為了克服現有技術缺點和不足，本專利技術的目的在于提供。本專利技術以多種聚合物混合溶液作為前驅液，然后進行靜電紡絲，碳化，得到一種多孔碳納米纖維。該制備方法工藝簡單、易操作、成本低、產率高、環境友好，所制備的產物可以具有不同的比表面積和孔徑分布。本專利技術目的通過以下技術方案來實現:，具體包括以下步驟:(I)稱取聚合物，加入溶劑中，磁力攪拌得到均勻的紡絲前驅液；(2)將紡絲前驅液注入帶有噴絲頭的注射器中，再將注射器固定在推進泵上；設置靜電紡絲參數，施加直流高電壓，將紡絲前驅液進行靜電紡絲，所紡出的纖維被接收裝置接收，得到納米纖維；(3)將納米纖維在空氣中進行預氧化，預氧化溫度為100?300°C，預氧化的時間為2?5h，升溫速率I?5°C /min，得到預氧化的納米纖維；(4)在惰性或者還原性氣氛中，將預氧化的納米纖維進行碳化，碳化的溫度為600?1400°C，碳化的時間為2?5h，升溫速率3?10°C /min，得到碳納米纖維。所述聚合物為聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚苯胺、尼龍6、尼龍66、酚醛樹脂、醋酸纖維素、聚氯乙烯、聚酰亞胺或聚乙烯咔唑中的兩種或兩種以上。所述溶劑為蒸餾水、乙醇、氯仿、二甲基甲酰胺、二氯甲烷、四氫呋喃、甲酸、丙酮或二甲基乙酰胺中的一種以上。所述磁力攪拌的時間為5?36h，磁力攪拌轉速為100?1000r/min。所述的紡絲前驅液中聚合物的質量濃度為6%?40%。所述靜電紡絲采用單噴嘴/多噴嘴。所述接收裝置為金屬基底接收器如平板、旋轉圓筒、絲網、圓盤、鐵餅型收集輪等。所述靜電紡絲參數為紡絲電壓U = 8?20kV，接收裝置和噴絲頭之間的距離L =5?20cm，推進速率R = I?8mL/h。所述惰性或者還原性氣氛是指氮氣、氦氣、氬氣或氬氫混合氣的氛圍。本專利技術與現有技術相比，具有以下有益效果:(I)本專利技術方法具有工藝簡單、易操作、成本低、產率高、環境友好等優點，有利于工業化大規模生產。(2)本專利技術方法可制備出不同的孔徑分布和比表面積的碳納米纖維。(3)本專利技術所制備的多孔碳納米纖維可以應用于超級電容器、鋰離子電池、鈉離子電池、燃料電池、鋰空氣電池、催化劑及催化劑載體、吸附過濾材料等領域。【附圖說明】圖1是碳納米纖維制備工藝流程圖；圖2為實施例1制備的多孔碳納米纖維的掃描電鏡圖；圖3為實施例1制備的多孔碳納米纖維的氮氣吸附脫附絕熱等溫線圖；圖4為說明實施例1制備的靜紡納米纖維的熱重圖；圖5為說明實施例2制備的靜紡納米纖維的熱重圖。【具體實施方式】下面結合實施例及附圖，對本專利技術作進一步地詳細說明，但本專利技術的實施方式不限于此。實施例1，具體包括以下步驟:(I)按照質量比1:2稱取聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮，加入到二甲基甲酰胺溶劑中，兩種聚合物質量分數分別為10%、20%，磁力攪拌24h，磁力攪拌速度為100r/min，得到紡絲前驅液；(2)將紡絲前驅液注入帶有噴絲頭的注射器，再將注射器固定在推進泵上；設置紡絲電壓U = 15kV，接收器和噴絲頭之間的距離L = 15cm，推進速率R = lmL/h，開始靜電紡絲，紡出的纖維被接收器接收，得到納米纖維；(3)將納米纖維，在空氣氣氛中進行預氧化，預氧化的溫度為280°C，預氧化2h，升溫速率rc /min，得到預氧化的納米纖維；(4)將預氧化的納米纖維在氮氣氣氛中進行碳化，碳化的溫度為1000°C，碳化時間為2h，升溫速率5°C /min，進行碳化后，降溫到室溫，得到碳納米纖維(即多孔碳納米纖維)。所得碳納米纖維的掃描電鏡圖如圖3所示，可看出所得的碳納米纖維形狀規貝1J，連續均勻，纖維的直徑約為120nm ;氮氣吸附脫附絕熱等溫線如圖4所示，比表面積為489m2/g，孔徑分布主要在1.86nm左右。實施例2，具體包括以下步驟:(I)按照質量比1:1:2稱取酚醛樹脂、聚酰亞胺、聚乙烯吡咯烷酮，加入到二甲基甲酰胺與乙醇混合溶劑中，三種聚合物質量分數分別為10%、10%、20%，磁力攪拌30h，磁力攪拌的速率是800r/min，得到紡絲前驅液；(2)將紡絲前驅液注入帶有噴絲頭的注射器，再將注射器固定在推進泵上；設置電壓U = 12.5kV，接收器和噴絲頭之間的距離L = 14cm，推進速率R = 2mL/h，開始靜電紡絲，紡出的纖維被接收器接收，得到納米纖維；(3)將納米纖維，在空氣氣氛中進行預氧化，預氧化的溫度為250°C，預氧化的時間為3h，升溫速率為3°C /min，得到預氧化的納米纖維；(4)將預氧化的納米纖維在氮氣氣氛中進行碳化，碳化的溫度為900°C，碳化時間為3h，升溫速率為7°C /min，進行碳化后，降溫到室溫，得到碳納米纖維(即多孔碳納米纖維)。所得的碳納米纖維形狀規則，連續均勻，纖維的直徑約為230nm，比表面積為520m2/g，，孔徑分布主要在2.46nm左右。實施例3，具體包括以下步驟:(I)按照質量比2:1稱取聚苯胺、聚氧乙烯，加入到三氯甲烷中，兩種聚合物質量分數分別為4%、2%，磁力攪拌3當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多孔碳納米纖維的制備方法，其特征在于：具體包括以下步驟：(1)稱取聚合物，加入溶劑中，磁力攪拌得到均勻的紡絲前驅液；(2)將紡絲前驅液注入帶有噴絲頭的注射器中，再將注射器固定在推進泵上；設置靜電紡絲參數，施加直流高電壓，將紡絲前驅液進行靜電紡絲，所紡出的纖維被接收裝置接收，得到納米纖維；(3)將納米纖維在空氣中進行預氧化，預氧化溫度為100～300℃，預氧化的時間為2～5h，升溫速率1～5℃/min，得到預氧化的納米纖維；(4)在惰性或者還原性氣氛中，將預氧化的納米纖維進行碳化，碳化的溫度為600～1400℃，碳化的時間為2～5h，升溫速率3～10℃/min，得到碳納米纖維。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王海輝，栗志同，王素清，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44