CN106757538A - 一种电纺丝方法制备多孔炭纤维制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电纺丝方法制备多孔炭纤维制备方法。其步骤将聚丙烯腈溶解于N，N‑二甲基甲酰胺中，再加入环糊精作为分子识别结构，醋酸锌作为造孔剂，配制成纺丝液，通过静电纺丝制得复合纤维原丝，将复合纤维进行预氧化、炭化等热处理得到多孔炭纤维，通过炭化保留了环糊精的空腔结构，将多孔炭纤维制成超级电容器电极或者是分子识别领域有更广阔的应用前景。制备简单、产量高、成本低，通过该方法可以制备兼具微孔、介孔和大孔的多孔炭纤维。

Description

一种电纺丝方法制备多孔炭纤维制备方法
技术领域
本发明涉及一种电纺丝方法制备多孔炭纤维制备以及在超级电容器中的应用，具体涉及通过共混法制备纺丝液经高温处理得到炭纤维然后去掉模板制备多孔炭纤维的方法。
背景技术
纳米科学是二十一世纪的宠儿，在全球的研究热浪中具有相关特殊结构性能的纳米器件成为其中翘楚，科研工作者致力于研究特殊性能的纳米材料，在众多的纳米材料中，多孔碳纤维具有耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、高电导率、高比表面积、高的比强度等优点。多孔炭纤维因为其具有较大的比表面积和较好的力学性能脱颖而从近些年的研究趋势来看，大多数电纺纤维的研究集中在使用不同种类高分子的纤维作为制备原材料及其以此为基底的复合纤维的制备上。而相比其他原丝材料(人造丝纤维、沥青基纤维)，聚丙烯腈纤维经高温处理后得到的多孔碳纤维综合性能最好。静电纺丝技术具有成本低廉，操作简便，沉积速率高，组分结构容易控制等优点。但是，因为电纺技术的发展历程较短，对电纺造成影响的因素有很多，需要进一步的探索研究，充满着许多具有挑战性的课题，在其应用方面更是缺乏系统的研究。例如掺杂材料对多孔炭纤维性质的影响，功能无机复合纳米多孔炭纤维在实际应用中的研究，复合前后的对比，掺杂前后的对比及性能研究等等成为现在研究多孔炭纤维的主要研究课题。专利CN103806129A一种氮掺杂多孔碳纤维材料及其制备方法与应用公开了一种氮掺杂多孔碳纤维材料及其制备方法与应用。其具体步骤：(1)将氮源和碳源溶解于水中；然后经静置沉淀和过滤得到所述氮源与所述碳源结合的前驱物；所述氮源为三聚氰胺或三聚氰酸；所述碳源为有机酸或有机胺；(2)将所述前驱物置于管式炉中进行煅烧，即得多孔碳纤维。本发明提供的三聚氰胺在热水溶液中能够溶解与有机酸通过氨基与羧基之间的作用力和本身氢键作用力组装在一起，通过冷却处理，析出白色沉淀物，该白色物质作为前驱体，过滤干燥后在惰性气体条件下高温煅烧，得到黑色的氮掺杂的多孔碳纤维材料。该材料合成条件温和简便，原料价格低廉，具有高的比表面积和好的电化学性能。专利CN105463628A一种柔性多孔碳纤维的制备方法，其步骤如下：1)将直径为0.1～2000微米的植物纤维素线洗净、烘干；2)将步骤1)处理过的植物纤维素线在还原性气氛中，于700～1500℃热处理1～300min，即得柔性多孔的碳纤维。本发明无需使用催化剂或溶剂，简单易行，适于大规模连续生产，得到的柔性多孔碳纤维有很好的柔性，可以360度弯曲；其内部结构有很高的石墨化程度，在高分辨下能看到大量的晶格条纹；有很高的比表面积，比表面积最高可达1362m2/g。专利CN104342783A一种纳米或纳米多孔碳纤维束及其制备方法和应用公开了一种纳米或纳米多孔碳纤维束的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将含有可纺高分子的溶液或熔融体通过静电纺丝制备的原丝悬浮于液相承接屏中；(2)以5～60转/分钟的速度抽取所述液相承接屏中的原丝且将该原丝卷绕到取丝轴上得到连续的定向排列的原丝束；(3)将所述原丝束分段加热炭化处理。该方法将静电纺丝、连续拉丝以及加热炭化结合在一起，不仅可以得到连续的纳米或纳米多孔碳纤维束，而且该方法制备得到的纳米或纳米多孔碳纤维束的直径、长度和微观结构可控，以及由该方法制备得到的纳米或纳米多孔碳纤维束在应用于储能器件领域中尤其是作为超级电容器的电极材料，展现了良好的电化学性能。专利CN103225135A多孔碳纤维及其制备方法与应用公开了一种多孔碳纤维及其制备方法。其步骤：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酸洗，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)通过该方法可以制备兼具微孔、介孔和大孔的多孔碳纤维；c)该碳纤维相比于其他方法制备的碳纤维具有柔性。
以上专利中，大部分专利利用造孔剂、高分子聚合物和有机溶剂组成纺丝液制备多孔碳纤维，未见有掺杂环糊精的纺丝液制备多孔碳纤维的专利。
发明内容
为实现本发明所提供的技术方案是：
1.将聚合物溶于N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，用磁力搅拌器常温下搅拌4h，制备成一系列的质量分数10～20％的聚合物溶液，加入造孔剂，造孔剂的质量是聚合物质量的0～80％，然后再加入环糊精，环糊精的质量是聚合物腈质量的0～80％，在60℃恒温加热磁力搅拌4h后，室温下搅拌16h，配置成均匀的电纺丝混合溶液；
2.将制得的纺丝液静电纺丝，得到复合纤维原丝。纺丝结束6h后，将制备的纤维置于通风处干燥24h；
3.将(2)步骤中干燥好的复合纤维原丝先在250℃空气中预氧化，然后在氮气保护600～1000℃下高温炭化，时间2h，即得到炭纤维，将炭纤维用盐酸浸泡1h，再用清水浸泡1h，固液分离，在鼓风干燥箱中100℃干燥12h，即得到多孔炭纤维。
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1：
1.将聚丙烯腈溶于N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，用磁力搅拌器常温下搅拌4h，制备成一系列的质量分数10％的聚丙烯腈溶液，加入醋酸锌，醋酸锌的质量是聚丙烯腈质量的67％，然后再加入环糊精，环糊精的质量是聚丙烯腈质量的40％，在60℃恒温加热磁力搅拌4h后，室温下搅拌16h，配置成均匀的电纺丝混合溶液；
2.将制得的纺丝液静电纺丝，得到复合纤维原丝。纺丝结束6h后，将制备的纤维置于通风处干燥24h；
3.将(2)步骤中干燥好的复合纤维原丝先在250℃空气中预氧化，然后在氮气保护900℃下高温炭化，时间2h，即得到炭纤维，将炭纤维用盐酸浸泡1h，再用清水浸泡1h，固液分离，在鼓风干燥箱中100℃干燥12h，即得到多孔炭纤维。
实施例2：改变聚丙烯腈和N，N-二甲基甲酰胺质量分数为20％，其他步骤同实施例1，得到多孔炭纤维。
实施例3：改变醋酸锌的质量是聚丙烯腈质量百分比为50％，其他步骤同实施例1，得到多孔碳纤维。
实施例4：改变环糊精的质量是聚丙烯腈质量百分比为60％，其他步骤同实施例1，得到多孔炭纤维。

Claims (4)

1.一种电纺丝方法制备多孔炭纤维制备方法，具体步骤如下：
(1)将聚合物溶于N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，用磁力搅拌器常温下搅拌4h，制备成一系列的质量分数10～20％的聚合物溶液，加入造孔剂，造孔剂的质量是聚合物质量的0～80％，然后再加入环糊精，环糊精的质量是聚合物质量的0～80％，在60℃恒温加热磁力搅拌4h后，室温下搅拌16h，配置成均匀的电纺丝混合溶液；
(2)将制得的纺丝液静电纺丝，得到复合纤维原丝，纺丝结束6h后，将制备的纤维置于通风处干燥24h；
(3)将(2)步骤中干燥好的复合纤维原丝先在250℃空气中预氧化，然后在氮气保护600～1000℃下高温炭化，时间2h，即得到炭纤维，将炭纤维用盐酸浸泡1h，再用清水浸泡1h，固液分离，在鼓风干燥箱中100℃干燥12h，即得到多孔炭纤维。
2.一种如权利要求1所述的一种电纺丝方法制备多孔炭纤维制备方法，其特征在于：聚合物可以是聚丙烯腈、聚氨酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯。
3.一种如权利要求1所述的一种电纺丝方法制备多孔炭纤维制备方法，其特征在于：造孔剂可以是醋酸锌、碳酸钙、氧化锌、氧化钙。
4.一种如权利要求1所述的一种电纺丝方法制备多孔炭纤维制备方法，其特征在于：环糊精可以是α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精。
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