CN103014921B - 多孔碳纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔碳纤维及其制备方法。该方法，包括如下步骤：将由造孔剂、高分子和有机溶剂组成的纺丝液进行纺丝后碳化，得到所述多孔碳纤维。该方法具有如下优点：a)制备简单，产量高，成本低；b)通过改变制备参数，可方便调控多孔碳纤维的孔大小；c)所使用的造孔剂可以通过自身升华的方式造孔，造孔剂可以回收使用，使得制备成本可以大大降低；d)所得碳纤维由于具有多孔结构使得其弯曲性能提高，可以任意弯曲折叠而不会破损，并且可以自支撑成膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔碳纤维及其制备方法。
背景技术
碳纤维由于其独特的结构以及特性被广泛地用做超级电容器、电池、催化剂载体以及场发射显示材料等。由于传统碳纤维的实心结构，其有效比表面积较低，使得碳纤维的应用受到了阻碍。近年来，多孔碳纤维的制备引起了人们广泛的研究兴趣，成为研究开发的热点。多孔碳纤维由于其具有大孔（>50nm）、介孔（2～50nm）以及微孔（<2nm），具有较高的比表面积。
目前文献中报道的多孔碳纤维的制备方法中仍然存在以下问题：孔结构不易控制；造孔过程繁琐复杂、造孔剂无法回收、成本高，难实现工业化生产；碳纤维质脆，难以制备自支撑的碳纤维膜。上述问题极大限制了多孔碳纤维在超级电容器以及锂离子电池等方面的应用。因此，发展一种简单、成本低、孔结构可调、可自支撑成膜的柔性多孔碳纤维的制备方法具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种多孔碳纤维及其制备方法。
本发明提供的制备多孔碳纤维的方法，包括如下步骤：将由造孔剂、高分子和有机溶剂组成的纺丝液进行纺丝后碳化，得到所述多孔碳纤维。
上述方法中，所述造孔剂为对苯二甲酸；
所述高分子选自聚丙烯腈、聚酰亚胺、沥青、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮和酚醛树脂中的至少一种；
所述聚丙烯腈的数均分子量为50w-300w，优选150w；
所述聚酰亚胺的数均分子量为50w-300w，优选150w；
所述沥青和聚乙烯醇的数均分子量均为50w-300w，优选150w；
所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为50w-300w，优选150w；
所述酚醛树脂的数均分子量为50w-300w，优选150w；
所述有机溶剂选自N,N-甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的至少一种。
所述造孔剂在纺丝液中的质量百分含量为1-8%，具体为1%或4%或6%或1-4%或1-6%或4-6%；所述高分子在纺丝液中的质量百分含量为6-15%，具体为7%。
所述纺丝步骤中，纺丝方法为静电纺丝。纺丝过程可使高分子溶液拉伸、固化并且纤维化；
具体的，所述静电纺丝中，电压为15-35kV，具体为30kV，纺丝液的流速为0.5-5.0mL/h，具体为1.2mL/h，温度为15-40℃，具体为25℃或30℃或15-30℃或15-25℃或25-40℃或25-30℃或30-40℃。
所述碳化步骤依次包括在空气中的预氧化和惰性气氛中的碳化。
具体的，所述预氧化步骤中，温度为180-280℃，具体为230℃或230-280℃或180-230℃，时间为1-4小时，优选2小时；
所述碳化步骤中，所述惰性气氛为N2或Ar气氛；碳化温度为600-1400℃，具体为800℃或1000℃或600-800℃或800-1000℃或600-1000℃，升温速率为1-10℃/min，具体为4℃/min，碳化时间为1-4小时，优选2小时。
由于上述本发明提供的多孔碳纤维内部由大量的孔组成，在进行弯折的过程中，这些孔吸收了弯折过程中的应力使得碳纤维的柔性大大提高，使得该多孔碳纤维得以保持电纺过程中所形成的无纺布膜结构。故按照上述本发明提供的方法制备得到的产品形态保持了电纺过程中所形成的无纺布膜结构，可以用做过滤膜进行过滤。
因而，上述方法制备得到的多孔碳纤维及由该多孔碳纤维自支撑得到的膜，以及上述多孔碳纤维或所述膜在制备碳纤维结构钢架、超级电容器、锂离子电池或过滤膜中的应用及含有上述多孔碳纤维或所述膜的碳纤维结构钢架、超级电容器、锂离子电池或过滤膜，也属于本发明的保护范围。其中，所述多孔碳纤维的比表面积为43.5-57.2m2/g，具体为45.3m2/g或44.0m2/g或43.5-45.3m2/g或44.0-57.2m2/g，孔体积为0.112-0.25cm3/g，具体为0.145cm3/g或0.168cm3/g或0.145-0.25cm3/g或0.168-0.25cm3/g；所述多孔碳纤维呈纤维状，内部均匀地分布着大量的孔，孔径在50nm或80nm以上，处于大孔范围，纤维的直径在400-700nm之间。
与现有多孔碳纤维制备方法相比，本发明提供的方法具有如下优点：
a）制备简单，成本低；
b）通过改变制备造孔剂以及纺丝聚合物的浓度，可以调控碳纤维的孔结构；
c）在碳化过程中对苯二甲酸升华造孔，孔径处于介孔和大孔范围；待冷却后，对苯二甲酸附着在管壁上，可以方便回收利用。
d）由于对苯二甲酸在升华过程中带出来孔，均匀地分散在碳纤维中，使得碳纤维具有较好的柔性，可以自支撑成膜；
附图说明
图1为实施例1所制得柔性多孔碳纤维氮气吸脱附曲线。
图2为实施例1所制得柔性多孔碳纤维SEM电镜检测图。
图3为实施例2所制得柔性多孔碳纤维氮气吸脱附曲线。
图4为实施例2所制得柔性多孔碳纤维TEM电镜检测图。
图5为实施例3所制得柔性多孔碳纤维氮气吸脱附曲线。
图6为实施例3所制得柔性多孔碳纤维TEM电镜检测图。
图7为实施例4所制得柔性多孔碳纤维氮气吸脱附曲线。
图8为实施例4所制得柔性多孔碳纤维SEM电镜检测图。
图9为实施例5所制得柔性多孔碳纤维膜的数码照片。
图10为过滤前后溶液的数码照片。
图11为对苯二甲酸浓度与碳纤维孔体积之间的关系曲线。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中，采用JEOL-6701F型扫描电子显微镜（SEM）、JEOL JEM-1011型透射电子显微镜（TEM）表征多孔碳纤维或膜的形貌；
采用Quantachrome Autosorb-1型比表面积与孔分布分析仪表征多孔碳纤维中的孔结构，吸附气体为N2，脱气温度为200℃。静电纺丝使用直流高压电源SPL50P60Spellman，微量注射泵KDS-200,Stoelting Co，医用注射器，医用平头不锈钢针头。
实施例1
将0.1g造孔剂对苯二甲酸溶于10g N,N-二甲基甲酰胺中，待充分溶解之后，加入0.8g数均分子量为150w的聚丙烯腈，80℃下搅拌2h形成均一透明溶液。
静电纺丝过程在单喷管电纺装置上进行，由直流高压电源、单毛细管喷丝头、收集板和地线组成，其中收集板为铝箔，电纺温度为15℃。具体制备过程为：将上述配制好的前驱体溶液转移到10mL医用注射器中，以1.0mL/h的流速注射到喷丝头中，在喷丝头和收集板间施加高压电场使纺丝液被拉伸、细化、固化后形成纤维落在铝箔收集板上。工作电压为30kV，针尖离铝箔的距离为15cm。将收集到的对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在管式炉中空气气氛下230℃预氧化2h，随后将空气气氛转化为氮气，以4℃/min的升温速度升至600℃碳化2h，降至室温得到多孔碳纤维。
图1为多孔碳纤维的氮气吸脱附曲线，在相对压力为0.2-0.8附近的介孔吸收范围内存在滞回环，并且在0.8-1.0之间的大孔范围内有较高的吸附量说明多孔碳纤维存在较多的介孔和大孔。氮气吸脱附表明该多孔碳纤维的比表面积为43.5m2/g，孔体积为0.112cm3/g。
图2为多孔碳纤维的扫描电镜照片，多孔碳纤维直径在400-700nm之间呈纤维状，多孔碳纤维内部均匀地分布着大量的孔，孔径在50nm以上，处于大孔范围。
实施例2
将0.3g对苯二甲酸溶于10g N,N-二甲基甲酰胺中，待充分溶解之后，加入0.8g数均分子量为150w的聚丙烯腈，80℃下搅拌2h形成均一透明溶液。
静电纺丝过程在单喷管电纺装置上进行，如实施例1所述，其中收集板为铝箔，电纺温度为25℃。具体制备过程为：将上述配制好的前驱体溶液转移到10mL医用注射器中，以1.0mL/h的流速注射到喷丝头中，在喷丝头和收集板间施加高压电场使纺丝液被拉伸、细化、固化后形成纤维落在铝箔收集板上。工作电压为30kV，针尖离铝箔的距离为15cm。将收集到的对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在管式炉中空气气氛下230℃预氧化2h，随后将空气气氛转化为氮气，以4℃/min的升温速度升至600℃碳化2h，降至室温得到多孔碳纤维。
图3为多孔碳纤维的氮气吸脱附曲线，在0.8-1.0之间的大孔范围内有较高的吸附量并且伴随有滞回环的出现说明多孔碳纤维存在较多大孔结构。氮气吸脱附表明多孔碳纤维的比表面积为45.3m2/g，孔体积为0.145cm3/g。
图4为多孔碳纤维的透射电镜照片，多孔碳纤维直径在400-700nm之间呈纤维状，多孔碳纤维内部均匀地分布着大量的孔，孔径在50nm以上，处于大孔范围。
实施例3
将0.5g对苯二甲酸溶于10g N,N-二甲基甲酰胺中，待充分溶解之后，加入0.8g数均分子量为150w的聚丙烯腈，80℃下搅拌2h形成均一透明溶液。
静电纺丝过程在单喷管电纺装置上进行，如实施例1所述，其中收集板为铝箔，电纺温度为30℃。具体制备过程为：将上述配制好的前驱体溶液转移到10mL医用注射器中，以1.0mL/h的流速注射到喷丝头中，在喷丝头和收集板间施加高压电场使纺丝液被拉伸、细化、固化后形成纤维落在铝箔收集板上。工作电压为30kV，针尖离铝箔的距离为15cm。将收集到的对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在管式炉中空气气氛下230℃预氧化2h，随后将空气气氛转化为氮气，以4℃/min的升温速度升至600℃碳化2h，降至室温得到多孔碳纤维。
图5为多孔碳纤维的氮气吸脱附曲线，在相对压力为0.7-1.0之间出现明显的滞回环，说明多孔碳纤维内部存在大量的大孔结构。氮气吸脱附表明该多孔碳纤维的比表面积为57.2m2/g，孔体积为0.168cm3/g。
图6为多孔碳纤维透射电镜照片，多孔碳纤维直径在400-700nm之间呈纤维状，内部由大量的孔组成，孔与孔之间相互连通并且均匀地分布在碳纤维内部，孔径在80nm以上，处于大孔结构范围。
实施例4
将0.7g对苯二甲酸溶于10g N,N-二甲基甲酰胺中，待充分溶解之后，加入0.8g数均分子量为150w的聚丙烯腈，80℃下搅拌2h形成均一透明溶液。
静电纺丝过程在单喷管电纺装置上进行，如实施例1所述，其中收集板为铝箔，电纺温度为30℃。具体制备过程为：将上述配制好的前驱体溶液转移到10mL医用注射器中，以1.0mL/h的流速注射到喷丝头中，在喷丝头和收集板间施加高压电场使纺丝液被拉伸、细化、固化后形成纤维落在铝箔收集板上。工作电压为30kV，针尖离铝箔的距离为15cm。将收集到的对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在管式炉中空气气氛下230℃预氧化2h，随后将空气气氛转化为氮气，以4℃/min的升温速度升至600℃碳化2h，降至室温得到多孔碳纤维。
图7为多孔碳纤维的氮气吸脱附曲线，在相对压力为0.9-1.0之间有较高的吸附量，说明多孔碳纤维内部存在大量的大孔结构。氮气吸脱附表明该多孔碳纤维的比表面积为44.0m2/g，孔体积为0.25cm3/g。
图8为多孔碳纤维的扫描电镜，多孔碳纤维呈纤维状，表面有许多孔洞结构，这是由于对苯二甲酸在升华的过程从体相外溢的过程中会形成空洞结构的原故，这进一步证明了碳纤维的多孔结构。
实施例5
将0.5g对苯二甲酸溶于10g N,N-二甲基甲酰胺中，待充分溶解之后，加入0.8g数均分子量为150w的聚丙烯腈，80℃下搅拌2h形成均一透明溶液。
静电纺丝过程在单喷管电纺装置上进行，如实施例1所述，其中收集板为铝箔，电纺温度为25℃。具体制备过程为：将上述配制好的前驱体溶液转移到10mL医用注射器中，以2.0mL/h的流速注射到喷丝头中，在喷丝头和收集板间施加高压电场使纺丝液被拉伸、细化、固化后形成纤维落在铝箔收集板上。工作电压为30kV，针尖离铝箔的距离为15cm。将收集到的对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在管式炉中空气气氛下230℃预氧化2h，随后将空气气氛转化为氩气，以4℃/min的升温速度升至600℃碳化2h，降至室温得到多孔碳纤维。
由于多孔碳纤维内部由大量的孔组成，在进行弯折的过程中，这些孔吸收了弯折过程中的应力使得碳纤维的柔性大大提高，这种多孔碳纤维甚至可以形成膜。图9即为该多孔碳纤维膜的数码照片，由图可知，该多孔碳纤维保持了电纺所形成的无纺布膜的结构，可以用做过滤膜。对该多孔碳纤维膜过滤400nm聚苯乙烯球的过滤性能进行测试，制备过程采用砂芯漏斗进行过滤，将多孔碳纤维膜剪成与砂芯一般大小的圆形膜（直径为5cm），用丙酮浸湿之后贴至砂芯之上，将密封盖扣好。过滤液采用的模型颗粒为400nm聚苯乙烯球，具体步骤为将100mg聚苯乙烯球分散到100ml水溶液中，超声处理0.5h使其分散开，随后取50ml聚苯乙烯悬浮液倒入制做好的过滤装置中自然过滤。如图10为过滤前后溶液的数码照片，过滤前为乳白色聚苯乙烯球悬浮液，过滤后为澄清溶液说明多孔碳纤维膜可以有效地过滤400nm以上的颗粒。
实施例6
将0.5g对苯二甲酸溶于10g二甲基亚砜中，待充分溶解之后，加入0.8g数均分子量为150w的聚丙烯腈，80℃下搅拌2h形成均一透明溶液。
静电纺丝过程在单喷管电纺装置上进行，如实施例1所述，其中收集板为铝箔，电纺温度为25℃。具体制备过程为：将上述配制好的前驱体溶液转移到10mL医用注射器中，以2.0mL/h的流速注射到喷丝头中，在喷丝头和收集板间施加高压电场使纺丝液被拉伸、细化、固化后形成纤维落在铝箔收集板上。工作电压为30kV，针尖离铝箔的距离为15cm。将收集到的对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在管式炉中空气气氛下280℃预氧化2h，随后将空气气氛转化为氮气，以4℃/min的升温速度升至600℃碳化2h，降至室温得到多孔碳纤维。
该多孔碳纤维的结构与实施例3所得多孔碳纤维无实质性差别，孔结构处于大孔范围并且均匀地分布在碳纤维内部中。
实施例7
将0.5g对苯二甲酸溶于10g N,N-甲基甲酰胺中，待充分溶解之后，加入0.8g数均分子量为150w的聚丙烯腈，80℃下搅拌2h形成均一透明溶液。
静电纺丝过程在单喷管电纺装置上进行，如实施例1所述。其中收集板为铝箔，电纺温度为40℃。具体制备过程为：将上述配制好的前驱体溶液转移到10mL医用注射器中，以2.0mL/h的流速注射到喷丝头中，在喷丝头和收集板间施加高压电场使纺丝液被拉伸、细化、固化后形成纤维落在铝箔收集板上。工作电压为30kV，针尖离铝箔的距离为15cm。将收集到的对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在管式炉中空气气氛下280℃预氧化2h，随后将空气气氛转化为氮气，以4℃/min的升温速度升至800℃碳化2h，降至室温得到多孔碳纤维。
该多孔碳纤维的结构与实施例3所得多孔碳纤维无实质性差别，孔结构处于大孔范围并且均匀地分布在碳纤维内部中。
实施例8
将0.5g对苯二甲酸溶于10g N,N-二甲基甲酰胺中，待充分溶解之后，加入0.8g数均分子量为150w的聚丙烯腈，80℃下搅拌2h形成均一透明溶液。
静电纺丝过程在单喷管电纺装置上进行，如实施例1所述。其中收集板为铝箔，电纺温度为25℃。具体制备过程为：将上述配制好的前驱体溶液转移到10mL医用注射器中，以2.0mL/h的流速注射到喷丝头中，在喷丝头和收集板间施加高压电场使纺丝液被拉伸、细化、固化后形成纤维落在铝箔收集板上。工作电压为30kV，针尖离铝箔的距离为15cm。将收集到的对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在管式炉中空气气氛下280℃预氧化2h，随后将空气气氛转化为氮气，以4℃/min的升温速度升至1000℃碳化2h，降至室温得到多孔碳纤维。
该多孔碳纤维的结构与实施例3所得多孔碳纤维无实质性差别，孔结构处于大孔范围并且均匀地分布在碳纤维内部中。
实施例9
分别将0.11g、0.33g、0.57g和0.81g对苯二甲酸溶于10g N,N-甲基甲酰胺中，待充分溶解之后，分别加入0.8g数均分子量为150w的聚丙烯腈，80℃下搅拌2h形成均一透明溶液，所配制的聚合物溶液中对苯二甲酸的含量分别为1wt%、3wt%、5wt%和7wt%。
静电纺丝过程在单喷管电纺装置上进行，如实施例1所述，其中收集板为铝箔，电纺温度为25℃。具体制备过程为：将上述配制好的前驱体溶液转移到10mL医用注射器中，以2.0mL/h的流速注射到喷丝头中，在喷丝头和收集板间施加高压电场使纺丝液被拉伸、细化、固化后形成纤维落在铝箔收集板上。工作电压为30kV，针尖离铝箔的距离为15cm。将收集到的对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在管式炉中空气气氛下280℃预氧化2h，随后将空气气氛转化为氮气，以4℃/min的升温速度升至1000℃碳化2h，降至室温得到多孔碳纤维。
分别将多孔碳纤维膜进行氮气吸脱附测试其孔体积大小，所得结果如图11所示，由图可知，随着对苯二甲酸的浓度的增加，孔体积逐渐增大。这是由于加入造孔剂对苯二甲酸的量越多，在碳化过程中升华所形成的孔就越多，从而使孔体积增大。
Claims (11)
1.一种制备多孔碳纤维的方法，包括如下步骤：将由造孔剂、高分子和有机溶剂组成的纺丝液进行纺丝后碳化，得到所述多孔碳纤维；
所述造孔剂为对苯二甲酸，所述造孔剂在纺丝液中的质量百分含量为1-8%，
所述高分子选自聚丙烯腈；
所述碳化步骤依次包括在空气中的预氧化和惰性气氛中的碳化；
所述预氧化步骤中，温度为180-280℃，时间为1-4小时；
所述碳化步骤中，所述惰性气氛为N2或Ar气氛；碳化温度为600-1400℃，升温速率为1-10℃/min，碳化时间为1-4小时。
2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于：所述聚丙烯腈的数均分子量为50万-300万；
所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于：所述聚丙烯腈的数均分子量为150万。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法， 其特征在于：所述高分子在纺丝液中的质量百分含量为6-15%。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述纺丝步骤中，纺丝方法为静电纺丝。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述静电纺丝中，电压为15-35 kV，纺丝液的流速为0.5-5.0 mL/h，温度为15-40℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述预氧化步骤中，时间为2小时；
所述碳化步骤中，碳化时间为2小时。
8.权利要求1-7任一所述方法制备得到的多孔碳纤维。
9.由权利要求8所述多孔碳纤维自支撑得到的膜。
10.含有权利要求8所述多孔碳纤维或权利要求9所述膜的碳纤维结构钢架、超级电容器、锂离子电池或过滤膜。
11.权利要求8所述多孔碳纤维或权利要求9所述膜在制备碳纤维结构钢架、超级电容器、锂离子电池或过滤膜中的应用。
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