CN101108726A - 一种含碳超细材料的制备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备含碳超细材料的制备方法及其应用，其特征是包括以下步骤：a.首先使非中介相沥青可碳化材料流体化；b.其次将上述已流体化的可碳化材料制备超细材料；c.通过碳化上述超细化加工后的被加工材料即得本发明的含碳超细化材料。通过本发明制备的超细碳材料以功能材料得到应用。当这种超细碳材料作为功能材料使用时拥有分离、传感、催化、存储、控制释放、结构支撑、吸附、修复等功能中的一种或者多种。本发明有利于提高含碳超细材料的制造效率，降低制造成本。

Description

一种含碳超细材料的制备及其应用

技术领域：

本发明涉及含碳超细材料的制备及应用，特别的是通过流体力学方法、电流体力学方法、注模法或切割法中的一种或者多种将非中介相沥青可碳化材料制备为超细材料，然后碳化超细可碳化材料即得含碳超细材料。通过本发明制备的超细碳材料以功能材料得到应用。当这种超细碳材料作为功能材料使用时拥有分离、传感、催化、存储、控制释放、结构支撑、吸附、修复等功能中的一种或者多种。该技术能够廉价、大规模地制备含碳超细材料，因此可望为含碳超细材料应用的拓宽及改善提供帮助。

背景技术

超细碳材料是指尺寸小于50微米的包括超细碳颗粒及超细碳纤维在内的材料，由于其具有较大的比表面积、优良的导电性能、良好的化学稳定性及良好的机械性能等特点使其作为高级功能材料越来越多地应用于结构支撑材料、吸附材料、化学电源电极等领域。目前的超细碳材料主要有碳纳米管、碳纳米纤维、碳微球。其结构主要采用石墨结构，制备方法主要采用电弧法、化学气相沉积法及水热法。目前超细碳材料制备过程的主要缺陷是产能较低而成本较高。

这在某种程度上限制了超细碳材料的使用范围。因此，为了能够大规模、廉价地使用超细碳材料，有必要开发能够大规模生产超细碳材料的新的方法。事实上，目前产能较大的宏观碳材料包括碳纤维、碳微球、活性炭等的获得都采用化学或者物理方法在制备了相应形貌的可碳化材料后再进行碳化过程而获得。

在可碳化材料中非中介相沥青其制备成本较高，因此，本发明通过将非中介相沥青可碳化材料流体化后制备成超细可碳化材料，然后再碳化，从而大规模地获得超细含碳材料并为国民经济服务。

发明内容

一种含碳超细材料的制备方法其特征在于将非中介相沥青可碳化材料流体化后制备成包括超细颗粒、超细纤维或者超细颗粒与超细纤维的混合物的可碳化超细材料，然后将可碳化超细材料碳化以制备超细含碳材料。

一种含碳超细材料的制备方法其特征在于被加工材料的流体化包括溶解、熔融、蒸发、等离子体化、粉碎使被加工材料成为包括气态、液态、超临界流体、等离子态、及流体中含有相对主流体成分高密度的成分如固态颗粒包含于载流体、液态颗粒包含于载流体在内的流体形式。对于不能通过溶解、熔融、蒸发、等离子体化、粉碎而流体化的被加工材料则通过使用可以流体化并且能够转化为可碳化超细材料或者反应中间体的方法使被加工材料流体化。

一种含碳超细材料的制备方法其特征在于流体化后的可碳化材料制备成可碳化超细材料的方法可以采用包括流体力学法即被加工材料以微小流体态的形式分散在不能完全相混的其它流体态物质中并固化而成包括颗粒、纤维的方法包括喷雾法、纺丝法、多相液流颗粒制备法、聚合法；电流体力学方法指的是被加工材料在荷电情况下以微小流体态的形式分散在不能完全相混的其它流体态物质中并固化而成包括颗粒、纤维的方法包括电喷雾法、电纺丝法；注模法；切割法中的一种或者多种。

一种含碳超细材料的制备方法其特征在于可碳化材料的碳化方式包括高压、常压、真空及流体调控下的高温处理法、燃烧法、溶剂热法、电处理法、磁处理法、电磁波处理法中的一种或者多种。在可碳化超细材料转化为超细含碳材料的碳化过程中，碳化过程可以只有一次，也可以有多次。

一种含碳超细材料的制备方法其特征在于超细含碳材料在经过碳化处理后还可以通过化学反应或者物理效应沉积相同或者不同的超细碳材料或者其它超细材料。

一种含碳超细材料的制备方法其特征在于超细碳材料中碳的结构包括无定型结构的碳、石墨结构的碳、金刚石结构的碳中的一种或者多种。

一种含碳超细材料的制备方法其特征在于可碳化材料包括非中介相沥青的有机高分子材料、有机小分子材料、有机高分子与有机小分子的复合材料、包含有机高分子材料的无机材料、包含有机小分子材料的无机材料及同时包含有机高分子及有机小分子的无机材料。

一种含碳超细材料的制备方法其特征在于超细碳材料包括超细碳颗粒、超细碳纤维、含碳材料的无机超细颗粒、含碳材料的无机超细纤维、上述超细碳材料中任意两种的混合物、上述超细碳材料中一种或者多种与超细无机颗粒和/或者无机超细纤维的混合物。超细碳材料的尺寸大小可以是均一的即大小分散度小于5％，也可以是大小不均一的，其尺寸范围介于5纳米至50微米。

一种含碳超细材料的制备方法其特征在于超细碳材料可以是实心、中空、核壳或者多孔结构的，超细碳材料的大小及组成可以是均一的也可以是不均一的。

通过该方法制备的超细碳材料以功能材料得到应用。当这种超细碳材料作为功能材料使用时拥有分离、传感、催化、存储、控制释放、结构支撑、吸附、修复等功能中的一种或者多种。

本发明的有益效果：

本发明通过将成本低廉的非中介相沥青的可碳化材料制备为超细材料，然后碳化从而获得超细含碳材料，本方法将可以以低廉的价格大规模地获得性能优良的含碳超细材料，从而拓展现有超细碳材料的使用领域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

将10％的聚丙烯腈甲酰胺溶液通过电喷雾技术获得超细聚丙烯腈微球，将该超细微球碳化获得超细碳微球。

实施例2：

将30％的聚丙烯腈甲酰胺溶液通过电纺技术获得超细聚丙烯腈纤维，将该超细纤维碳化获得超细碳纤维。

实施例3：

将5％的聚苯乙烯乙酸乙酯溶液通过一200微米的的喷射孔以50万个液滴/秒的速度喷射进入同方向流动的水流管中并在收集池中收集，干燥后获得超细聚苯乙烯微球，将该超细微球高温碳化即得超细碳微球。

实施例4：

将40毫升丙烯腈单体及4毫升丙烯酸单体注入100毫升水中在氮气保护下恒温于80摄氏度并加入1克过硫酸钾，反应72小时后，离心、清洗、干燥得聚丙烯腈与聚丙烯酸共聚的超细微球，将该超细微球碳化即得超细碳微球。

实施例5：

将聚苯乙烯材料通过球磨获得聚苯乙烯超细微球，将该超细微球碳化即得超细碳微球。

实施例6：

将平均直径约50纳米的蒙脱土均匀分散在2％的聚乙烯醇1750中，然后通过电喷雾技术得到含蒙脱土的聚乙烯醇超细颗粒。将上述含蒙脱土的聚乙烯醇超细颗粒高温碳化即获得内含纳米蒙脱土材料的超细碳材料。

Claims (10)

1.一种含碳超细材料的制备方法其特征在于将非中介相沥青可碳化材料流体化后制备成包括超细颗粒、超细纤维或者超细颗粒与超细纤维的混合物的可碳化超细材料，然后将可碳化超细材料碳化以制备超细含碳材料。

2.一种超含碳细材料的制备方法其特征在于被加工材料的流体化包括溶解、熔融、蒸发、等离子体化、粉碎使被加工材料成为包括气态、液态、超临界流体、等离子态、及流体中含有相对主流体成分高密度的成分如固态颗粒包含于载流体、液态颗粒包含于载流体在内的流体形式。对于不能通过溶解、熔融、蒸发、等离子体化、粉碎而流体化的被加工材料则通过使用可以流体化并且能够通过化学反应或者物理效应转化为可碳化超细材料或者反应中间体的方法使被加工材料流体化。

3.一种含碳超细材料的制备方法其特征在于流体化后的可碳化材料制备成可碳化超细材料的方法可以采用包括流体力学法即被加工材料以微小流体态的形式分散在不能完全相混的其它流体态物质中并固化而成包括颗粒、纤维的方法包括喷雾法、纺丝法、多相液流颗粒制备法、聚合法；电流体力学方法指的是被加工材料在荷电情况下以微小流体态的形式分散在不能完全相混的其它流体态物质中并固化而成包括颗粒、纤维的方法包括电喷雾法、电纺丝法；注模法；切割法中的一种或者多种。

4.一种含碳超细材料的制备方法其特征在于可碳化材料的碳化方式包括高压、常压、真空及流体调控下的高温处理法、燃烧法、溶剂热法、电处理法、磁处理法、电磁波处理法中的一种或者多种。在可碳化超细材料转化为超细含碳材料的碳化过程中，碳化过程可以只有一次，也可以有多次。

5.一种含碳超细材料的制备方法其特征在于超细含碳材料在经过碳化处理后还可以通过化学反应或者物理效应沉积相同或者不同的超细碳材料或者其它超细材料。

6.一种含碳超细材料的制备方法其特征在于超细碳材料中碳的结构包括无定型结构的碳、石墨结构的碳、金刚石结构的碳中的一种或者多种。

7.一种含碳超细材料的制备方法其特征在于可碳化材料包括非中介相沥青的有机高分子材料、有机小分子材料、有机高分子与有机小分子的复合材料、包含有机高分子材料的无机材料、包含有机小分子材料的无机材料及同时包含有机高分子及有机小分子的无机材料。

8.一种含碳超细材料的制备方法其特征在于超细碳材料包括超细碳颗粒、超细碳纤维、含碳材料的无机超细颗粒、含碳材料的无机超细纤维、上述超细碳材料中任意两种的混合物、上述超细碳材料中一种或者多种与超细无机颗粒和/或者无机超细纤维的混合物。超细碳材料的尺寸大小可以是均一的即大小分散度小于5％，也可以是大小不均一的，其尺寸范围介于5纳米至50微米。

9.一种含碳超细材料的制备方法其特征在于超细碳材料可以是实心、中空、核壳或者多孔结构的，超细碳材料的大小及组成可以是均一的也可以是不均一的。

10.一种含碳超细材料其特征在于通过本发明制备的超细碳材料以功能材料得到应用。当这种超细碳材料作为功能材料使用时拥有分离、传感、催化、存储、控制释放、结构支撑、吸附、修复等功能中的一种或者多种。