CN111408282B - 一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜及其制备方法和应用。通过化学气相沉积制备碳纳米管薄膜，将碳纳米管薄膜作为静电纺丝接收器，通过静电纺丝在碳纳米管薄膜上合成碳纳米纤维，得到碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜。本发明制备的碳纳米管层和碳纳米纤维层均为多孔的连续纤维网络，具有大的比表面积，有良好的吸附性能，可组成多级的过滤系统，并且碳纳米管层和碳纳米纤维层的孔径均是可控的，更能满足过滤过程中不同的需求，可作为气体过滤膜应用在空气过滤器或口罩生产中。

Description

一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，特别是指一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
空气中的悬浮颗粒是大气污染源之一，其浓度过高会严重影响能见度、人体健康、阳光直射和生态系统。尤其是PM2.5具有极大的危害性，由于其体积极小，很容易进入人体的肺部和支气管中，频繁暴露在高浓度PM2.5的环境中，会导致严重的健康问题，如中风、癌症、心力衰竭和肺部感染。口罩作为日常的防护用品，可过滤大部分的悬浮颗粒。目前，将有机材料热熔拉丝是工业上制备过滤材料的主要方式，纳米纤维在制造高性能空气过滤器方面显示出了巨大的前景。同时，碳材料具有很好的吸附能力，将纤维状的碳材料进行组装，可制备高性能气体过滤复合薄膜。碳纳米管和碳纳米纤维作为纳米级纤维状碳材料，是制备气体过滤复合薄膜的理想材料。采用静电纺丝技术将碳纳米管和碳纳米纤维进行组装，操作简单。目前，碳纳米管和碳纳米纤维均实现工业化的生产，将其应用在空气过滤领域，尤其是口罩和过滤器的生产具有巨大的前景。
发明内容
本发明提出一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜及其制备方法和应用，通过化学气相沉积和静电纺丝组装了碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜，具有对空气具有很好的过滤性能。
本发明的技术方案是这样实现的：一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜，包括若干层依次叠加的碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜上沉积有碳纳米纤维，碳纳米管薄膜和碳纳米纤维组成了多孔的纤维网络。
一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过化学气相沉积制备碳纳米管薄膜；
(2)将若干层步骤(1)制备的碳纳米管薄膜依次叠加平铺在基底上，然后制备聚合物静电纺丝的前驱液，通过静电纺丝在碳纳米管薄膜上沉积聚合物纤维，得到碳纳米管/聚合物纤维复合薄膜；
(3)将步骤(2)制备的碳纳米管/聚合物纤维复合薄膜进行煅烧，聚合物纤维碳化成碳纳米纤维，得到碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜。
进一步地，步骤(2)中，静电纺丝前驱液的有机聚合物为聚乙烯醇，聚丙烯腈、聚吡咯、聚氨酯、尼龙中的一种。
进一步地，静电纺丝前驱液的有机聚合物为聚丙烯腈，具体制备方法如下：将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺，聚丙烯腈的质量分数为8-15％；静电纺丝的电压为15kV。
进一步地，步骤(3)中，在氩气氛围中，煅烧温度为700℃。
一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜作为气体过滤膜的应用，作为气体过滤膜可应用在空气过滤器和口罩的生产中。
本发明的有益效果：
本发明通过化学气相沉积和静电纺丝制备碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜。碳纳米管的直径在1-2nm左右，直径小的碳纳米管在分布密集时仍可以保持较好的空气透过。另外，碳纳米管薄膜的具有很好的导电性，可直接作为静电纺丝的接收板，在上面原位沉积碳纳米纤维，该方法可使用于合成多种复合薄膜。
本发明制备的碳纳米管层和碳纳米纤维层均为多孔的连续纤维网络，具有大的比表面积，有良好的吸附性能，可组成多级的过滤系统。碳纳米管和碳纳米纤维交错形成连续的网络。较致密的碳纳米管网络可以阻挡一部分的悬浮颗粒，且能实现对部分颗粒的吸附，直径较粗的碳纳米纤维提供更多的可吸附碳，提升复合薄膜的空气过滤能力。
本发明碳纳米管层和碳纳米纤维层的孔径均是可控的，通过控制碳纳米管薄膜的层数，从而实现复合薄膜多孔网络孔隙的可控性，实现透气性的控制，更能满足过滤过程中不同的需求，可作为气体过滤膜应用在空气过滤器或口罩生产中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的制备过程示意图；
图2本发明制备的碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜的扫描电镜图；
图3为本发明制备碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜的过滤效率与碳纳米管层数的折线图。
1二甲苯，2二茂铁，3管式炉，4碳纳米管薄膜，5针管，6聚丙烯腈溶液，7电压。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，气体氛围为1200SCCM氢氩(体积比1：5)混合气体，反应温度1200℃，通过化学气相沉积制备碳纳米管薄膜，制备连续且具有自支撑能力的单壁碳纳米管薄膜；自支撑能力指的是无需衬底，该碳纳米管薄膜力学性能好，具有自支撑能力，即使很薄也可以成薄膜，作为静电纺丝的接收板；
(2)将若干层步骤(1)单壁薄膜依次叠加平铺在基底上作为静电纺丝的接收板，然后制备聚合物静电纺丝的前驱液，通过静电纺丝在碳纳米管薄膜上沉积聚合物纤维，得到碳纳米管/聚合物纤维复合薄膜；
(3)将步骤(2)制备的碳纳米管/聚合物纤维复合薄膜进行煅烧，聚合物纤维碳化成碳纳米纤维，得到碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜。
步骤(2)中，静电纺丝前驱液的有机聚合物为聚乙烯醇，聚丙烯腈、聚吡咯、聚氨酯、尼龙中的一种。
优化地，静电纺丝前驱液的有机聚合物为聚丙烯腈，具体制备方法如下：将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺，聚丙烯腈的质量分数为8-15％；静电纺丝的电压为15kV。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
如图1所示，一种碳纳米纤维/CoS2/MoS2复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，通过化学气相沉积制备碳纳米管薄膜；
(2)将碳纳米管薄膜平铺在基底上5层作为静电纺丝的接收板，将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺，聚丙烯腈的质量分数为10％，作为静电纺丝的前驱液，在碳纳米管接收板上进行静电纺丝，接收器的距离是15cm，流量为6μL/min，静电纺丝的电压为15kV，得到碳纳米管/聚丙烯腈复合薄膜；
(3)将步骤(2)得到的碳纳米管/聚丙烯腈复合薄膜在进行煅烧，得到碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜；
如图2所示，碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜有碳纳米管网络和碳纳米纤维网络组成，碳纳米管表面分布着一些催化剂残留下来的铁颗粒。碳纳米管的直径小，只有1-2nm，分布较密，可隔离大部分的悬浮颗粒，并吸附部分悬浮颗粒。碳纳米纤维的直径较大，约为100nm，提供了更多的可吸附碳。碳纳米管层和碳纳米纤维层没有明显的分层现象，复合薄膜保证了不影响空气透过的前提提升了对空气的过滤能力。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，平铺的碳纳米管薄膜为1层。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，平铺的碳纳米管薄膜为2层。
从图3可以看出，随着碳纳米管层数的增加，空气过滤的能力越好。这是因为随着碳纳米管薄膜层数的增加，复合薄膜的孔径变小。另外，即使碳纳米管的层数为1层，仍具有很好的过滤能力。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中，平铺的碳纳米管薄膜为10层。
当平铺的碳纳米管薄膜为10层时，由于碳纳米管致密，会影响空气的透过。
实施例5
本实验与实施例1基本相同，不同点在于：在步骤(2)中，将3g聚乙烯醇溶于27mL去离子水中，作为静电纺丝的前驱液。
实施例6
本实验与实施例1基本相同，不同点在于：在步骤(2)中，将1.6g聚吡咯溶于5.5mL二甲基甲酰胺中，作为静电纺丝的前驱液。
实施例1，5，6说明了，以若干层碳纳米管薄膜为基底，作为静电纺丝的接收板，该方法具有实用性，可适用于不同静电纺丝前驱液，合成层与层连接紧密的碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜，其特征在于，包括若干层依次叠加的碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜上沉积有碳纳米纤维，碳纳米管薄膜和碳纳米纤维组成了多孔的纤维网络；所述的碳纳米管薄膜为连续且自支撑的单壁碳纳米管薄膜，碳纳米管和碳纳米纤维交错形成连续的网络；
所述的碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）通过化学气相沉积制备连续且自支撑的单壁碳纳米管薄膜；
（2）将若干层步骤（1）制备的碳纳米管薄膜依次叠加平铺在基底上，然后制备聚合物静电纺丝的前驱液，通过静电纺丝在碳纳米管薄膜上沉积聚合物纤维，得到碳纳米管/聚合物纤维复合薄膜；
（3）将步骤（2）制备的碳纳米管/聚合物纤维复合薄膜进行煅烧，聚合物纤维碳化成碳纳米纤维，得到碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜，其特征在于，步骤（2）中，静电纺丝前驱液的有机聚合物为聚乙烯醇，聚丙烯腈、聚吡咯、聚氨酯、尼龙中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜，其特征在于，静电纺丝前驱液的有机聚合物为聚丙烯腈，具体制备方法如下：将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺，聚丙烯腈的质量分数为8-15%；静电纺丝的电压为15 kV。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜，其特征在于，步骤（3）中，在氩气氛围中，煅烧温度为700℃。
5.一种权利要求1-4之一所述的碳纳米管/碳纳米纤维复合薄膜作为气体过滤膜的应用。
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