CN110004523A - 一种柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料及其制备方法和应用，该方法以静电纺丝所制备的碳纳米纤维作为骨架，以硅粉为硅源，以碳粉为碳源，在高温管式炉中经化学气相反应得到柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。该复合材料中碳化硅纳米纤维与碳纳米纤维相互交织呈蓬松棉花状，该结构的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料具有高的比表面积，具有高的微波辅助催化降解有机污染物的性能。本发明提供了一种简单、高效、低成本制备柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的方法。

Description

一种柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于纳米复合材料领域，涉及一种制备柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料及其制备方法和应用。
背景技术
纳米纤维以其高比表面积、高纵横比、高曲率半径、与其它物质具有很强的相互渗透能力等优异性能，在电子、食品、医药、航空航天等众多领域都有广泛的应用。
碳纳米纤维作为柔性材料中最典型的一种材料，其含碳量达到95％以上，它具有独特的柔韧性、高的导电性、较低的密度(1.75～2.18g/cm3)、大的比表面积以及强的化学稳定性，拥有新型柔性材料最重要的柔软、轻薄的特点，从而使得碳纳米纤维复合材料在电催化、电化学传感器以及柔性超级电容器方面具有广阔的应用前景。
SiC独特的晶体结构赋予了它高的机械性能、高的热导率、低的热膨胀系数、大的载流子漂移速度、小的介电常数、优异的化学稳定性及电子亲和性等特点。一维SiC纳米材料因其理想的禁带宽度(Eg(3C-SiC)＝2.4eV)、合适的能带位置、优异的电磁波吸收性能、优良的化学稳定性、高的载流子迁移率及环境友好等特点被广泛应用于微波辅助降解有机污染物、光电催化分解水制氢、光降解有机污染物、光还原CO2等方面。
将碳纳米纤维和碳化硅纳米纤维复合，设计合成SiCNWs/CNFs复合材料，利用耦合效应，使得复合材料具有更高的催化性能和电磁波吸收性能，对于柔性碳化硅纳米纤维膜材料在催化氧化领域和电磁波吸收领域的实际应用具有一定的意义。
中国发明专利申请201810930644.9公开了一种碳化硅纳米线/碳纤维布复合材料及其制备方法与应用，该发明以碳纤维布作为基体，在碳纤维上负载金属镍作为催化剂，微米硅作为硅源，在高温下利用镍作为催化剂，通过气-液-固生长过程在碳纤维上原位生长了SiC纳米线，制备得到SiC纳米线/碳纤维布复合材料。该方法需要用到催化剂，最后还需要通过氢氟酸去除催化剂，过程繁琐，氢氟酸、硝酸等危险试剂存在一定的安全隐患；同时，由于采用碳纤维布作为基体，其编织致密，SiC纳米线只能在碳纤维布表面生长，无法与碳纤维形成疏松结构，比表面积小，活性位点少。
中国发明专利申请号为201710132922.1公开了一种静电纺丝制备柔性碳化硅/碳纳米管复合纤维膜的方法，该方法将碳化硅前驱体和易纺丝聚合物加入到有机溶剂中搅拌后再加入碳纳米管超声分散，得到聚碳硅烷/碳纳米管混合纺丝液，将该溶液静电纺丝得到聚碳硅烷/碳纳米管复合纤维膜；将聚碳硅烷/碳纳米管复合纤维膜经过不熔化处理和高温热解处理后得到柔性碳化硅/碳纳米管复合纤维膜。该方法中所用到的有机试剂涉及到甲苯、二甲苯、四氢呋喃或三氯甲烷等，具有一定的毒性；所用到的试剂碳纳米管、聚碳硅烷成本较高不利于大规模生产应用。
鉴于以上缺陷，实有必要提供一种操作简单、成本低的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法以解决以上技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料及其制备方法和应用，操作简单，成本低，得到碳化硅纳米纤维和碳纳米纤维相互交织的棉花状三维疏松多孔结构，具有高的微波辅助催化降解有机污染物的性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，包括：
步骤1，将聚丙烯腈和N，N-二甲基甲酰胺混合，加热搅拌，得到静电纺丝的前驱液；
步骤2，利用步骤1所得的前驱液进行静电纺丝得到初纺碳纳米纤维；
步骤3，将步骤2所得的初纺碳纳米纤维进行预氧化，并在400～1000℃碳化，得到碳纳米纤维膜；
步骤4，将硅粉和碳纳米纤维膜作为前驱物料进行化学气相反应，待反应停止后冷却至室温，即得到柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
优选的，步骤4中，前驱物料还包括碳粉，硅粉和碳粉的摩尔比为(1～2)∶1。
优选的，步骤4中，硅粉与碳纳米纤维膜的质量比(80～120)：1。
优选的，步骤4中，将硅粉置于坩埚中，硅粉上方放置步骤3所得的碳纳米纤维膜，得到前驱物料；
进一步的，硅粉和碳纳米纤维膜之间放置碳毡，使硅粉与碳纳米纤维膜隔开。
优选的，步骤4中，反应温度为1200～1400℃，反应时间为2～5h，升温速度5～10℃/min。
优选的，步骤2中，静电纺丝时，电压为12～20KV，推进器的速度1～5mm/h，接收器的转速100～800r/min，针尖到接收器的距离5～40cm，针尖到接收器角度0～90°。
优选的，步骤3中，预氧化的温度为220～280℃，预氧化升温速度为1～2℃/min，预氧化时间为1～4h；碳化升温速度为3～5℃/min，碳化时间为1～6h。
所述的制备方法制备得到的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
所述的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料在微波辅助催化降解有机污染物中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明方法，首先采用静电纺丝制备得到初纺碳纳米纤维，再通过预氧化和碳化得到碳纳米纤维膜，静电纺丝所制备的碳纳米纤维形成一个高孔隙率、高强度的三维网络结构；因为制备的碳纳米纤维膜石墨化程度比较低，在化学气相反应中，在碳纳米纤维膜的三维网络结构中，部分碳纳米纤维与硅反应转化为碳化硅纳米纤维，最终得到碳化硅纳米纤维和碳纳米纤维相互交织的棉花状三维疏松多孔结构；所制备的复合膜材料具有高的比表面积，并且特殊的三维疏松多孔结构使得复合材料具有更多的反应活性位点，赋予了复合材料高的微波辅助催化降解有机污染物的性能。同时，由于本发明在碳纳米纤维膜上直接进行碳化硅纳米纤维的制备，因此得到的材料是膜状材料，与粉末状材料相比更加容易与待测液分离，同时具有一定的吸附功能，此外，柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料在微波辅助催化降解有机物时可多次重复使用。本发明制备方法简单，成本低。
进一步的，在化学气相反应中，还可以添加碳粉，从而除了部分碳纳米纤维与硅反应转化为碳化硅纳米纤维外，气相的硅还可以与气相的碳反应生成碳化硅纳米纤维，碳化硅纳米纤维以碳纳米纤维为骨架生长在碳纳米纤维的三维网络结构中，保证了材料中碳化硅纳米纤维的数量。
进一步的，将粉末与碳纳米纤维膜之间通过碳毡隔开，可以避免柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜上粘上固体粉末，便于反应完成后分离出柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜。
本发明制备得到的是柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜，其中SiC纳米纤维与碳纳米纤维相互交织呈蓬松棉花状，碳化硅纳米纤维直径为100～200nm，碳纳米纤维直径100～200nm，具有良好的微波辅助催化降解有机污染物的性能。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的X-射线衍射(XRD)图谱；
图2是本发明实施例1制备的纳米碳纤维的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图3是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的扫描电子显微镜(SEM)5000×照片；
图4是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的扫描电子显微镜(SEM)2000×照片；
图5是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的能量色散X射线光谱仪(EDX)图片；
图6是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料在微博辅助下催化降解亚甲基蓝的降解曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，包括：
1)将聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合，加热搅拌，得到静电纺丝的前驱液；
2)将前驱液收集到推进器中，设置静电纺丝电压、推进器的速度、接收器的转速、调整针尖到接收器的距离和角度，经过一段时间的纺丝后得到初纺碳纳米纤维；
3)将所得初纺碳纳米纤维在管式炉中进行空气预氧化和氩气碳化得到碳纳米纤维；
4)将硅粉或者硅粉和碳粉的混合粉末放置于氧化铝坩埚中，将碳纳米纤维置于粉末上方；
5)将氧化铝坩埚放置于高温管式炉中，通入氩气，设置升温速度、反应时间及反应温度，进行化学气相反应，待反应停止后冷却至室温，即得到柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
所述步骤1)所得前驱液中，聚丙烯腈的质量分数为6％～12％，搅拌温度40～60℃，搅拌转速500～1000r/min，搅拌时间为10～24h。
所述步骤2)中，静电纺丝电压为12～20KV，推进器的速度1～5mm/h，接收器的转速100～800r/min，针尖到接收器的距离5～40cm，针尖到接收器角度0～90°，初纺碳纳米纤维直径100～200nm，接收器为旋转式圆筒接收器。
所述步骤3)中，预氧化的温度为220～280℃，预氧化升温速度为1～2℃/min，预氧化时间为1～4h，碳化温度为400～1000℃，碳化升温速度为3～5℃/min，碳化时间为1～6h。
所述步骤4)中，若加入碳粉，则硅粉和碳粉的摩尔比为(1～2)∶1；硅粉与碳纳米纤维的质量比为(80～120)：1还可以将粉末与碳纳米纤维之间用碳毡隔开。
所述步骤5)中反应温度为1200～1400℃，反应时间为2～5h，升温速度5～10℃/min。
本发明制备得到的复合材料中SiC纳米纤维与碳纳米纤维相互交织呈蓬松棉花状，碳化硅纳米线直径为50～200nm，碳纳米纤维直径100～200nm。
实施例1：
步骤1：配制聚丙烯腈(PAN)含量为9wt.％的聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合液，加热搅拌，温度为60℃，搅拌转速为800r/min，搅拌时间为10h后得到静电纺丝前驱液；
步骤2：将纺丝前驱液装入推进器中设置推进速度为3mm/h，纺丝电压为15KV，针尖到接收器距离为18cm，针尖与接收器的角度为45°，接收器的转速为300r/min，纺丝5h后得到初纺碳纳米纤维；
步骤3：将初纺碳纳米纤维放入管式炉中空气条件下预氧化处理，预氧化温度为260℃，升温速率为1℃/min，预氧化时间为2h；待预氧化完成后在氩气气氛下进行碳化处理，碳化温度为600℃，升温速率为5℃/min，碳化时间为2h，冷却至室温后即得碳纳米纤维。
步骤4：称取20g混合粉末(硅粉：碳粉摩尔比为1.2∶1)放置于氧化铝坩埚中，在粉末上方放置一定质量的碳纳米纤维，其中硅粉与碳纳米纤维质量比为100:1，粉末和碳纳米纤维之间用碳毡隔开；将该坩埚放置于高温管式炉中氩气氛围下反应，反应温度为1400℃反应时间为3h，升温速率为8℃/min。待反应结束后即得柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
本实施例所制得的初纺碳纤维的直径～170nm，所制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料中碳化硅纳米纤维的直径～100nm，碳纳米线直径～150nm。
实施例2：
步骤1：配制聚丙烯腈(PAN)含量为12wt.％的聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合液，加热搅拌，温度为60℃，搅拌转速为1000r/min，搅拌时间为24h后得到静电纺丝前驱液；
步骤2：将纺丝前驱液装入推进器中设置推进速度为5mm/h，纺丝电压为20KV，针尖到接收器距离为40cm，针尖与接收器的角度为0°，接收器的转速为800r/min，纺丝5h后得到初纺碳纳米纤维；
步骤3：将初纺碳纳米纤维放入管式炉中空气条件下预氧化处理，预氧化温度为280℃，升温速率为2℃/min，预氧化时间为4h；待预氧化完成后在氩气气氛下进行碳化处理，碳化温度为1000℃，升温速率为5℃/min，碳化时间为6h，冷却至室温后即得碳纳米纤维。
步骤4：称取20g混合粉末(硅粉：碳粉摩尔比为2∶1)放置于氧化铝坩埚中，在粉末上方放置所得碳纳米纤维，其中硅粉与碳纳米纤维质量比为80:1，粉末和碳纳米纤维之间用碳毡隔开；将该坩埚放置于高温管式炉中氩气氛围下反应，反应温度为1400℃反应时间为5h，升温速率为10℃/min。待反应结束后即得柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
本实施例所制得初纺碳纤维的直径～300nm，所制备的的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料中碳化硅纳米纤维的直径～230nm，碳纳米线直径～260nm。
实施例3：
步骤1：配制聚丙烯腈(PAN)含量为6wt.％的聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合液，加热搅拌，温度为40℃，搅拌转速为500r/min，搅拌时间为10h后得到静电纺丝前驱液；
步骤2：将纺丝前驱液装入推进器中设置推进速度为1mm/h，纺丝电压为12KV，针尖到接收器距离为5cm，针尖与接收器的角度为90°，接收器的转速为100r/min，纺丝5h后得到初纺碳纳米纤维；
步骤3：将初纺碳纳米纤维放入管式炉中空气条件下预氧化处理，预氧化温度为220℃，升温速率为1℃/min，预氧化时间为1h；待预氧化完成后在氩气气氛下进行碳化处理，碳化温度为400℃，升温速率为3℃/min，碳化时间为1h，冷却至室温后即得碳纳米纤维。
步骤4：称取20g混合粉末(硅粉：碳粉摩尔比为1∶1)放置于氧化铝坩埚中，在粉末上方放置所得碳纳米纤维，其中硅粉与碳纳米纤维质量比为120:1，粉末和碳纳米纤维之间用碳毡隔开；将该坩埚放置于高温管式炉中氩气氛围下反应，反应温度为1200℃反应时间为2h，升温速率为5℃/min。待反应结束后即得柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
本实施例所制得初纺碳纤维的直径～150nm，所制备的的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料中碳化硅纳米纤维的直径～110nm，碳纳米线直径～130nm。
实施例4：
步骤1：配制聚丙烯腈(PAN)含量为9wt.％的聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合液，加热搅拌，温度为60℃，搅拌转速为800r/min，搅拌时间为10h后得到静电纺丝前驱液；
步骤2：将纺丝前驱液装入推进器中设置推进速度为3mm/h，纺丝电压为15KV，针尖到接收器距离为18cm，针尖与接收器的角度为45°，接收器的转速为300r/min，纺丝5h后得到初纺碳纳米纤维；
步骤3：将初纺碳纳米纤维放入管式炉中空气条件下预氧化处理，预氧化温度为260℃，升温速率为1℃/min，预氧化时间为3h；待预氧化完成后在氩气气氛下进行碳化处理，碳化温度为600℃，升温速率为5℃/min，碳化时间为3h，冷却至室温后即得碳纳米纤维。
步骤4：称取20g混合粉末(硅粉：碳粉摩尔比为1.5∶1)放置于氧化铝坩埚中，在粉末上方放置所得碳纳米纤维，其中硅粉与碳纳米纤维质量比为90:1，粉末和碳纳米纤维之间用碳毡隔开；将该坩埚放置于高温管式炉中氩气氛围下反应，反应温度为1300℃反应时间为4h，升温速率为8℃/min。待反应结束后即得柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
本实施例所制得初纺碳纤维的直径～170nm，所制备的的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料中碳化硅纳米纤维的直径～140nm，碳纳米线直径～150nm。
实施例5：
步骤1：配制聚丙烯腈(PAN)含量为10wt.％的聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合液，加热搅拌，温度为60℃，搅拌转速为800r/min，搅拌时间为10h后得到静电纺丝前驱液；
步骤2：将纺丝前驱液装入推进器中设置推进速度为4mm/h，纺丝电压为16KV，针尖到接收器距离为20cm，针尖与接收器的角度为45°，接收器的转速为350r/min，纺丝5h后得到初纺碳纳米纤维；
步骤3：将初纺碳纳米纤维放入管式炉中空气条件下预氧化处理，预氧化温度为270℃，升温速率为2℃/min，预氧化时间为2h；待预氧化完成后在氩气气氛下进行碳化处理，碳化温度为700℃，升温速率为5℃/min，碳化时间为2h，冷却至室温后即得碳纳米纤维。
步骤4：称取20g混合粉末(硅粉：碳粉摩尔比为1.8∶1)放置于氧化铝坩埚中，在粉末上方放置所得碳纳米纤维，其中硅粉与碳纳米纤维质量比为100:1，粉末和碳纳米纤维之间用碳毡隔开；将该坩埚放置于高温管式炉中氩气氛围下反应，反应温度为1300℃反应时间为4h，升温速率为8℃/min。待反应结束后即得柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
本实施例所制得初纺碳纤维的直径～200nm，所制备的的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料中碳化硅纳米纤维的直径～150nm，碳纳米线直径～170nm。
实施例6：
步骤1：配制聚丙烯腈(PAN)含量为8wt.％的聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合液，加热搅拌，温度为60℃，搅拌转速为800r/min，搅拌时间为10h后得到静电纺丝前驱液；
步骤2：将纺丝前驱液装入推进器中设置推进速度为3.5mm/h，纺丝电压为17KV，针尖到接收器距离为23cm，针尖与接收器的角度为60°，接收器的转速为400r/min，纺丝5h后得到初纺碳纳米纤维；
步骤3：将初纺碳纳米纤维放入管式炉中空气条件下预氧化处理，预氧化温度为250℃，升温速率为2℃/min，预氧化时间为2h；待预氧化完成后在氩气气氛下进行碳化处理，碳化温度为650℃，升温速率为5℃/min，碳化时间为2h，冷却至室温后即得碳纳米纤维。
步骤4：称取20g混合粉末(硅粉：碳粉摩尔比为1.2∶1)放置于氧化铝坩埚中，在粉末上方放置所得碳纳米纤维，其中硅粉与碳纳米纤维质量比为110:1，粉末和碳纳米纤维之间用碳毡隔开；将该坩埚放置于高温管式炉中氩气氛围下反应，反应温度为1400℃反应时间为5h，升温速率为5℃/min。待反应结束后即得柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
本实施例所制得初纺碳纤维的直径～180nm，所制备的的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料中碳化硅纳米纤维的直径～130nm，碳纳米线直径～160nm。
实施例7：
步骤1：配制聚丙烯腈(PAN)含量为9wt.％的聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合液，加热搅拌，温度为60℃，搅拌转速为800r/min，搅拌时间为10h后得到静电纺丝前驱液；
步骤2：将纺丝前驱液装入推进器中设置推进速度为3mm/h，纺丝电压为15KV，针尖到接收器距离为18cm，针尖与接收器的角度为45°，接收器的转速为300r/min，纺丝5h后得到初纺碳纳米纤维；
步骤3：将初纺碳纳米纤维放入管式炉中空气条件下预氧化处理，预氧化温度为260℃，升温速率为1℃/min，预氧化时间为2h；待预氧化完成后在氩气气氛下进行碳化处理，碳化温度为600℃，升温速率为5℃/min，碳化时间为2h，冷却至室温后即得碳纳米纤维。
步骤4：称取20g硅粉放置于氧化铝坩埚中，在粉末上方放置所得碳纳米纤维，其中硅粉与碳纳米纤维质量比为100:1，粉末和碳纳米纤维之间用碳毡隔开；将该坩埚放置于高温管式炉中氩气氛围下反应，反应温度为1400℃反应时间为3h，升温速率为8℃/min。待反应结束后即得柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
本实施例所制得初纺碳纤维的直径～170nm，所制备的的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料中碳化硅纳米纤维的直径～130nm，碳纳米线直径～150nm。
实施例8：
步骤1：配制聚丙烯腈(PAN)含量为9wt.％的聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合液，加热搅拌，温度为60℃，搅拌转速为800r/min，搅拌时间为10h后得到静电纺丝前驱液；
步骤2：将纺丝前驱液装入推进器中设置推进速度为3mm/h，纺丝电压为15KV，针尖到接收器距离为18cm，针尖与接收器的角度为45°，接收器的转速为300r/min，纺丝5h后得到初纺碳纳米纤维；
步骤3：将初纺碳纳米纤维放入管式炉中空气条件下预氧化处理，预氧化温度为260℃，升温速率为1℃/min，预氧化时间为2h；待预氧化完成后在氩气气氛下进行碳化处理，碳化温度为600℃，升温速率为5℃/min，碳化时间为2h，冷却至室温后即得碳纳米纤维。
步骤4：称取20g混合粉末(硅粉：碳粉摩尔比为1.2∶1)放置于氧化铝坩埚中，其中硅粉与碳纳米纤维质量比为100:1，在粉末上方放置所得碳纳米纤维；将该坩埚放置于高温管式炉中氩气氛围下反应，反应温度为1400℃反应时间为3h，升温速率为8℃/min。待反应结束后即得柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
本实施例所制得初纺碳纤维的直径～170nm，所制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料中碳化硅纳米纤维的直径～110nm，碳纳米线直径～120nm。
图1是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的X-射线衍射(XRD)图谱；从图中可以看出所制备的材料存在两种物相：碳和碳化硅，初步证实所制备的材料为碳和碳化硅的混合物，其中碳化硅的结晶度较高，是所制备材料的主相；
图2是本发明实施例1制备的纳米碳纤维的扫描电子显微镜(SEM)照片；从图中可知所制备的碳纳米纤维的直径及其疏松多孔的结构；
图3是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的扫描电子显微镜(SEM)5000×照片，图4是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的扫描电子显微镜(SEM)2000×照片，从两图中可以看出碳化硅纳米线及碳纳米纤维的直径及其疏松多孔的三维立体结构；
图5是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的能量色散X射线光谱仪(EDX)图片；从图中可以看到各元素的分布较为均匀，从碳元素和硅元素的分布中可以得出碳纳米纤维部分转化为碳化硅纳米纤维且碳化硅纳米纤维和碳纳米纤维已相互交织，构成疏松多孔的棉花状三维材料；
图6是本发明实施例1制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料在微波辅助下催化降解亚甲基蓝的降解曲线，在微波的照射下，所制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料在27min后将亚甲基蓝降解～95％。
本发明所制备的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料至少具备以下优点：在该方法中，柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料以碳纳米纤维作为骨架，静电纺丝所制备的碳纳米纤维之间形成一个高孔隙率、高强度的三维网络结构，碳纳米纤维轻质高强的特点，是柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的基础。在化学气相反应中，碳化硅纳米纤维会以碳纳米纤维为骨架生长在碳纳米纤维的三维网络结构中，碳化硅纳米纤维和碳纳米纤维最终相互交织形成棉花状三维疏松多孔结构，所制备的复合膜材料具有高的强度，高的比表面积，特殊的三维疏松多孔结构使得复合材料具有更多的反应活性位点，赋予了复合材料高的微波辅助催化降解有机污染物的性能。同时，由于本发明在碳纳米纤维膜上直接进行碳化硅纳米纤维的制备，因此得到的材料是膜状材料，与粉末状材料相比更加容易与待测液分离，同时具有一定的吸附功能，此外，柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料在微波辅助催化降解有机物时可多次重复使用。本发明制备方法简单，成本低。

Claims (10)

1.一种柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1，将聚丙烯腈和N，N-二甲基甲酰胺混合，加热搅拌，得到静电纺丝的前驱液；
步骤2，利用步骤1所得的前驱液进行静电纺丝得到初纺碳纳米纤维；
步骤3，将步骤2所得的初纺碳纳米纤维进行预氧化，并在400～1000℃碳化，得到碳纳米纤维膜；
步骤4，将硅粉和碳纳米纤维膜作为前驱物料进行化学气相反应，待反应停止后冷却至室温，即得到柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
2.根据权利要求1所述的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，前驱物料还包括碳粉，硅粉和碳粉的摩尔比为(1～2)∶1。
3.根据权利要求1所述的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，硅粉与碳纳米纤维膜的质量比(80～120)：1。
4.根据权利要求1所述的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，将硅粉置于坩埚中，硅粉上方放置步骤3所得的碳纳米纤维膜，得到前驱物料。
5.根据权利要求4所述的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，其特征在于，硅粉和碳纳米纤维膜之间放置碳毡，使硅粉与碳纳米纤维膜隔开。
6.根据权利要求1所述的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，反应温度为1200～1400℃，反应时间为2～5h，升温速度5～10℃/min。
7.根据权利要求1所述的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，静电纺丝时，电压为12～20KV，推进器的速度1～5mm/h，接收器的转速100～800r/min，针尖到接收器的距离5～40cm，针尖到接收器角度0～90°。
8.根据权利要求1所述的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，预氧化的温度为220～280℃，预氧化升温速度为1～2℃/min，预氧化时间为1～4h；碳化升温速度为3～5℃/min，碳化时间为1～6h。
9.权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料。
10.权利要求9所述的柔性碳化硅/碳纳米纤维复合纤维膜材料在微波辅助催化降解有机污染物中的应用。
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