CN110284263B - 叠层复合纳米纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种叠层复合纳米纤维的制备方法，通过将氧化石墨烯溶液和高聚物溶液采用静电纺丝法交替进行，再通过高温热处理，得到具有叠层结构的复合纳米纤维。本发明制备的复合纳米纤维中石墨烯片层不易发生堆叠，保持了其本身比表面积大的优势；同时本发明制备的叠层纳米纤维具有形貌规整、结构可控，可有效增强复合纳米纤维的机械性能等优点，提升其在能源储存等领域的实际应用性。

Description

叠层复合纳米纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种纳米材料领域的技术，具体是一种通过静电纺丝制备叠层结构纳米纤维的方法。
背景技术
石墨烯由于导电性好，电子迁移率高，比表面积大，力学强度高等优点，在光伏器件、能源储存、生物传感、复合材料等领域得到了广泛的应用。但由于范德华力的作用，石墨烯片层易发生重堆叠，因而在一定程度上限制了其二维结构优势的发挥。
现有技术主要通过优化结构设计来解决石墨烯片层堆叠这一问题，但这些技术往往步骤繁琐制备成本高且易造成石墨烯片层结构致密。
发明内容
本发明针对现有的技术不足，提出一种通过静电纺丝技术制备叠层结构复合纳米纤维的方法，制备的复合纳米纤维中石墨烯片层不易发生堆叠，保持了其本身比表面积大的优势；同时本发明制备的叠层纳米纤维具有形貌规整、结构可控，可有效增强复合纳米纤维的机械性能等优点，提升其在能源储存等领域的实际应用性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过分别配置高聚物溶液和前驱体溶液用于交替静电纺丝并得到复合纳米纤维膜，然后通过热处理得到具有叠层结构的复合碳纳米纤维。
所述的高聚物溶液，以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为有机溶剂，以聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷或聚乙烯醇为溶剂，通过磁力搅拌实现均匀分散。
所述的前驱体溶液，以DMF作为有机溶剂，以氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯或和聚苯乙烯为溶剂，通过磁力搅拌实现均匀分散。
所述的前驱体溶液中，氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯或和聚苯乙烯的质量比为1:10-1:100。
所述的静电纺丝是指：通过滚筒式接收器和纺丝针头，以静电方式进行纺丝。
所述的静电，采用5-30kV电压。
所述的纺丝针头与接收器间距为5-30cm，静电纺丝溶液注射速度为1-10mL/h，接收器转速为500-2000r/min。
所述的交替静电纺丝，采用但不限于：首先以高聚物溶液静电纺丝10-90min，然后将前驱体溶液静电纺丝10-90min，并重复交替3次。
所述的热处理，优选恒温鼓风干燥箱以1-5℃/min的升温速率升温至100-300℃，保温10-120min；再采用真空坩埚炉，通入惰性气体，以不高于2℃/min的升温速率升至300℃-1000℃，保温10-200min。
技术效果
与现有技术相比，本发明制备的复合纳米纤维中石墨烯片层不易发生堆叠，保持了其本身比表面积大的优势；本发明制备的叠层复合纳米纤维具有形貌规整、结构可控等优点，同时具有优异的机械性能和柔韧性，在柔性储能及传感等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备的叠层纳米纤维的扫描电镜(SEM)图；
图2为对比例1中常规方法制备的纳米纤维的扫描电镜(SEM)图；
图3为实施例1和对比例1的应力-应变曲线图；
图4为实施例1和对比例1的恒流充放电曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实施例采用静电纺丝法制备一种具有叠层结构的纳米纤维，具体步骤包括：
第一步、将1g聚丙烯腈分散在10mL DMF中，磁力搅拌1-3天，得到高聚物溶液；将25mg氧化石墨烯和1g聚甲基丙烯酸甲酯分散在5mL DMF中，磁力搅拌1-3天，得到前驱体溶液。
第二步、将高聚物溶液和前驱体溶液分别转移到20mL注射器中，使用内径为1200μm的针头，装卡到注射泵上，进行静电纺丝。
第三步、将高聚物溶液首先电纺30min，电压为20kV；然后替换成前驱体溶液电纺30min，电压为17kV；如此重复交替3次。静电纺丝参数：针头与接收器间距为15cm，静电纺丝溶液注射速度为1.0mL/h，滚筒转速为1000r/min。静电纺丝完成后收集产物。
第四步、将静电纺丝纳米纤维膜放置于鼓风干燥箱中，以2℃/min的升温速率升至280℃，保温60min，得到预氧化处理的纳米纤维膜；然后再将其放置于真空坩埚炉中，通入惰性气体，以5℃/min的升温速率升至800℃，保温120min，得到具有如图1所示叠层结构的复合碳纳米纤维膜。将得到的纳米纤维膜作为超级电容器电极材料，测试恒流充放电性能。
本实施例制备得到的产物的拉伸强度为8MPa，说明该方法制备的叠层结构增强了复合纳米纤维的机械性能。与现有类似技术的对比为：本方法制备的氧化石墨烯片层是将氧化石墨烯与高聚物配置成均一溶液，静电纺丝成纳米纤维，然后在热处理中高聚物分解保留氧化石墨烯片层结构，该方法与电喷氧化石墨烯在纤维层上相比，可以更好地控制氧化石墨烯片层的均匀度，有效解决堆叠问题。
本实施例制备得到的产物的应用为超级电容器电极材料，其恒流充放电测试性能表明叠层结构提升了产物作为超级电容器电极材料的比电容。
实施例2
本实施例采用静电纺丝法制备一种具有叠层结构的纳米纤维，具体步骤包括：
第一步、将1g聚丙烯腈分散在10mL DMF中，磁力搅拌1-3天，得到高聚物溶液；将50mg氧化石墨烯和1g聚苯乙烯分散在5mL DMF中，磁力搅拌1-3天，得到前驱体溶液。
第二步、将高聚物溶液和前驱体溶液分别转移到20mL注射器中，使用内径为1200μm的针头，装卡到注射泵上，进行静电纺丝。
第三步、将高聚物溶液首先电纺60min，电压为18kV；然后替换成前驱体溶液电纺40min，电压为15kV；如此重复交替3次。静电纺丝参数：针头与接收器间距为15cm，静电纺丝溶液注射速度为1.0mL/h，滚筒转速为1000r/min。静电纺丝完成后收集产物。
第四步、将静电纺丝纳米纤维膜放置于鼓风干燥箱中，以2℃/min的升温速率升至280℃，保温90min，得到预氧化处理的纳米纤维膜；然后再将其放置于真空坩埚炉中，通入惰性气体，以5℃/min的升温速率升至800℃，保温120min，得到具有叠层结构的复合碳纳米纤维膜。将得到的纳米纤维膜作为超级电容器电极材料，测试恒流充放电性能。
本实施例制备得到的产物的拉伸强度为6MPa，说明该方法制备的叠层结构增强了复合纳米纤维的机械性能。
本实施例制备得到的产物的应用为超级电容器电极材料，其恒流充放电测试性能表明叠层结构提升了产物作为超级电容器电极材料的比电容。
对比例1
第一步、将1g聚丙烯腈分散在10mL DMF中，磁力搅拌1-3天，得到高聚物溶液；再将25mg氧化石墨烯加入到高聚物溶液中，磁力搅拌1-3天，得到前驱体溶液。
第二步、将前驱体溶液转移到20mL注射器中，使用内径为1200μm的针头，装卡到注射泵上，进行静电纺丝。
第三步、将前驱体溶液电纺300min，电压为20kV。静电纺丝参数：针头与接收器间距为15cm，静电纺丝溶液注射速度为1.0mL/h，滚筒转速为1000r/min。静电纺丝完成后收集产物。
第四步、将静电纺丝纳米纤维膜放置于鼓风干燥箱中，以2℃/min的升温速率升至280℃，保温60min，得到预氧化处理的纳米纤维膜；然后再将其放置于真空坩埚炉中，通入惰性气体，以5℃/min的升温速率升至800℃，保温120min，得到如图2所示的复合碳纳米纤维膜。将得到的纳米纤维膜作为超级电容器电极材料，测试恒流充放电性能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (2)

1.一种通过静电纺丝技术制备叠层结构复合纳米纤维的方法，其特征在于，通过分别配置高聚物溶液和前驱体溶液用于交替静电纺丝并得到复合纳米纤维膜，然后通过热处理得到具有叠层结构的复合碳纳米纤维；
所述的高聚物溶液，以DMF作为有机溶剂，以聚丙烯腈为溶质，通过磁力搅拌实现均匀分散；
所述的前驱体溶液，以DMF作为有机溶剂，以氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯或和聚苯乙烯为溶剂，通过磁力搅拌实现均匀分散；
交替静电纺丝，首先以高聚物溶液静电纺丝10-90 min，然后将前驱体溶液静电纺丝10-90 min，并重复交替3次；
所述的前驱体溶液中，氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯或和聚苯乙烯的质量比为1:10- 1:100；
所述的静电纺丝是指：通过滚筒式接收器和纺丝针头，以静电方式进行纺丝；
所述的纺丝针头与接收器间距为5-30cm，静电纺丝溶液注射速度为1-10 mL/h，接收器转速为500-2000 r/min；
所述的热处理，铜鼓恒温鼓风干燥箱以1-5℃/min的升温速率升温至100-300℃，保温10-120 min；再采用真空坩埚炉，通入惰性气体，以不高于2℃/min的升温速率升至300℃-1000℃，保温10-200 min。
2.一种超级电容器，其特征在于，根据权利要求1中所述方法制备得到的叠层结构复合纳米纤维制备得到。
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