CN111575834B - 一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维及其制备方法，属于制备碳纳米纤维技术领域，解决了现有碳纳米纤维制备成本高且存在缺陷、制备过程中碳纳米纤维直径与长度无法控制的技术问题。本发明提供的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维及其制备方法包括如下步骤：步骤1、利用氢氧化钠溶液和蒽醌‑2‑磺酸钠对天然麻纤维原料进行预处理；步骤2、利用磷酸溶液对预处理麻纤维进行纳米化处理；步骤3、将纳米化麻纤维进行水热处理，得到水热处理产物；步骤4、将水热处理产物进一步进行碳化处理，得到碳纳米纤维。本发明以天然麻纤维作为制备碳纳米纤维的原料，通过可控的热化学过程制备碳纳米纤维，实现了低成本、过程可控的制备碳纳米纤维。

Description

一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及制备碳纳米纤维技术领域，尤其涉及一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维及其制备方法。

背景技术

由于在传统工业和高技术领域中对轻量化与高强度复合材料的巨大需求，纳米纤维材料受到广泛的关注。纳米纤维材料具有较大的表面体积比，表面功能可调控性，可调控孔隙特性，三维形貌，以及优异的机械性能等，在可再生组织工程，药物缓释，传感器件，能量产生与存储，过滤，催化，织物以及国防等不同领域有潜在的广泛应用。纳米纤维材料根据其化学组成可分为四大类：碳纳米纤维，无机纳米纤维，有机纳米纤维以及复合纳米纤维。

碳纳米纤维是介于碳纳米管与碳纤维之间的一种新材料。碳纤维的尺寸在数十微米左右，碳纳米纤维的尺寸在数十至数百纳米之间；碳纳米纤维在内在结构上区别于碳纳米管。碳纳米纤维可以作为从分子材料过渡至宏观材料的关键物质形态，其具有优异的理化性能，广泛应用于多功能复合材料、超级电容电极材料、锂电池负极材料、金属纳米颗粒载体、骨组织支撑结构等领域。

现有技术中制备碳纳米纤维只能限制在较小的实验室规模，如现有技术有两种：气相催化沉积与静电纺丝-热处理，气相沉积主要为有机分子在催化剂表面高温分解沉积，主要制约因素为其设备及过程的可控性。通过静电纺丝及相应的热处理制得碳纳米纤维，目前主要制约因素在于静电纺丝后的纤维，无法实现有效稳定化，这使得热处理过程无法实现大量处理。

目前碳纳米纤维材料离大规模工业应用还存在一定距离，需要解决两个关键的技术挑战：其一需要解决较大规模低成本制备无缺陷碳纳米纤维的方法与设备；其二需要解决碳纳米纤维制备过程中纤维直径与长度的控制问题，以及材料后处理与分散技术。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维及其制备方法，用以解决现有碳纳米纤维制备成本高且存在缺陷、制备过程中碳纳米纤维直径与长度无法控制的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、利用氢氧化钠溶液和蒽醌-2-磺酸钠对天然麻纤维原料进行预处理，得到预处理麻纤维；

步骤2、利用磷酸溶液对预处理麻纤维进行纳米化处理，得到纳米化麻纤维；

步骤3、将纳米化麻纤维进行水热处理，得到水热处理产物；

步骤4、将水热处理产物进一步进行碳化处理，得到碳纳米纤维。

进一步地，在步骤1中，采用质量浓度为2～10％的氢氧化钠溶液对天然麻纤维进行浸渍，氢氧化钠溶液的质量为天然麻纤维原料质量的5～20倍。

进一步地，在步骤1中，将天然麻纤维与氢氧化钠溶液的混合物置于反应釜中，向反应釜中加入使用量为天然麻纤维原料质量的0.2～3.0％的蒽醌-2-磺酸钠。

进一步地，在步骤1中，在反应釜密封情况下进行预处理，预处理温度为90～120℃，预处理时间为0.5～3.0h；预处理后采用预处理麻纤维质量10～20倍的去离子水清洗，清洗后在空气中85～120℃的条件下干燥至其含水量低于5％。

进一步地，步骤2中，磷酸溶液的质量浓度为60～85％，磷酸溶液的体积与预处理麻纤维的质量的比值为7.0～15ml/g。

进一步地，在步骤2中，纳米化处理温度为30～60℃，处理时间为25～250min。

进一步地，在步骤3中，利用使用量为天然麻纤维原料质量0.4～1.2倍的水热处理助剂脲对纳米化麻纤维进行水热处理；水热处理温度为120～220℃，处理时间为1.0～5.0h。

进一步地，步骤4中，碳化处理温度为850～1300℃，碳化处理时间为30～90min，处理过程中氮气的流量为50～500ml/min；

以2～10℃/min的升温速率升温至所述碳化处理温度。

进一步地，在步骤1中，天然麻纤维为韧皮纤维苎麻、黄麻、亚麻、罗布麻和槿麻或叶纤维剑麻中的一种。

另一方面，本发明还提供了一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维，采用上述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法得到。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)现有技术中制备碳纳米纤维只能限制在较小的实验室规模，而且成本高无法满足实际应用的经济性。本发明以天然麻纤维为原料，通过将麻纤维纳米化为纳米纤维素以及可控的催化水热过程，将纳米纤维素碳化为碳纳米纤维，并通过将催化水热过程应用于碳纳米纤维制备中，使本发明适合于大规模制备的原料、设备以及过程工艺。

(2)现有技术中，制备过程对碳纳米纤维的直径以及长度的难以实现有效控制，对于气相催化沉积过程，由于在高温条件下进行，一般催化剂分散于载体金属，这使得温度分布及反应物浓度分布不均匀，这使得碳纳米纤维生长过程的条件参数变化较大，因而造成其直径与长度难以控制。对于静电纺丝过程，由于稳定化处理无法达到要求，在升温处理过程容易引起纺丝纤维在结构以及尺寸上的波动变化，由此造成直径与长度难以控制，而且在碳纳米纤维后处理与分散上也存在一些问题。

本发明采用纳米化分散处理的麻纤维作为碳纳米纤维的前体，在制备过程中可以通过对纳米化处理条件的调节与控制来实现对麻纤维衍生的纳米纤维素尺寸的控制，从而达到调节与控制碳纳米纤维直径与长度的目的。同时采用水热处理过程将麻纤维衍生的纳米纤维素转化为碳纳米纤维，可以实现材料在制备过程中的有效分散。

(3)本发明制备的碳纳米纤维的长度L范围为196～970nm，纳米纤维直径D范围为10～94nm，L/D比值的范围为10.2～52.5。

(4)本发明的方法采用可再生、廉价易得的天然麻纤维作为原料，制备过程以及涉及设备通用性强，容易实现较大规模的制备，同时保持出产材料的经济实用性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为利用氢氧化钠溶液和对蒽醌-2-磺酸钠对天然麻纤维进行预处理的过程示意图；

图2为天然麻纤维的纤维素束中结晶区域和非结晶区域(不定型态)的分布示意图；

图3为碳化过程的中由纤维素化学结构演化为碳结构的化学反应过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明以天然麻纤维原料制备碳纳米纤维材料，天然麻纤维为韧皮纤维苎麻、黄麻、亚麻、罗布麻和槿麻，叶纤维剑麻中的一种；所有麻纤维均为纤维素纤维，基本化学成分是纤维素，其他为与纤维素伴生的果胶质、半纤维素、木质素、脂肪蜡质等非纤维物质。各种麻纤维的化学成分中纤维素含量均在75％左右，半纤维素含量在7～9％，木质素含量在2.5～4％，果胶含量在1.5～2.5％。

麻纤维是一种高强低伸型纤维，它的断裂强度为5.0～7.0cN/dtex，这主要是因为麻纤维主要是韧皮纤维，而韧皮纤维是植物的基本骨架，有较高的结晶度和取向度，而且原纤维又沿纤维径向呈层状结构分布。单一韧皮纤维细胞的长度在1～100mm，直径为5～60μm，壁厚度为5～10μm。其中单一的纤维素束的直径为20～100nm，最小纤维素纤维直径为3～20nm。纤维素束通过与其伴生的果胶质、半纤维素、木质素、脂肪蜡质和灰分复合形成宏观的麻纤维结构。麻纤维需要通过预处理来分解纤维中的伴生成分，同时得到纤维素束，这需要预处理过程具有很好的选择性，在分解胶质成分的同时不破坏纤维素束的结构与成分。

半纤维素在麻纤维的胶质中含量最高，是麻脱胶的主攻对象，其中葡萄甘露聚糖半纤维素对碱的对抗性最大，在脱胶过程中最难除去。由于半纤维素相对分子质量较纤维素小，因此对酸、碱、氧化剂的作用比纤维素更不稳定，大多数半纤维素能溶解在热碱液中。果胶质中未被酯化的羧基会与多价金属离子结合成盐，变成网状结构、降低溶解度，果胶物质对酸、碱和氧化剂作用的稳定性要较纤维素低。木质素是一种具有芳香族特性的结构单体为苯丙烷型的三维结构高分子化合物。木质素与半纤维素之间的主要联结是苯甲醚键、缩醛键等。半纤维素-木质素的键非常稳定，这增加了脱胶时去除这两者的难度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、利用氢氧化钠溶液和对蒽醌-2-磺酸钠对天然麻纤维进行预处理，得到预处理麻纤维；

具体地，采用质量浓度为2～10％的氢氧化钠溶液对天然麻纤维进行浸渍，氢氧化钠溶液的质量为麻纤维原料质量的5～20倍。将天然麻纤维与氢氧化钠溶液的混合物置于带有聚四氟内衬的反应釜中，加入使用量为麻纤维原料质量的0.2～3.0％的蒽醌-2-磺酸钠，在密封情况下于90～120℃加热处理0.5～3.0h。预处理后采用去离子水进行清洗，去离子水质量为预处理麻纤维质量的10～20倍；分别清洗3～6次，在空气中85～120℃干燥至其含水量低于5％。

在步骤1中，严格控制上述蒽醌-2-磺酸钠的使用量有利于实现蒽醌-2-磺酸钠助催化木质素结构裂解与去除。严格控制上述的热处理条件有利于实现氢氧化钠溶液与蒽醌-2-磺酸钠加热蒸煮处理天然麻纤维的效用，能够将半纤维素与木质素同时有效去除而不破坏纤维素。

需要说明的是，本发明采用氢氧化钠溶液与蒽醌-2-磺酸钠加热蒸煮处理天然麻纤维的设计，能够将半纤维素与木质素同时有效去除而不破坏纤维素。在蒸煮过程中，蒽醌-2-磺酸钠(AQS)氧化半纤维素和果胶质的碳水化合物，由此被还原为蒽氢醌-2-磺酸钠(AHQS)，蒽氢醌-2-磺酸钠在碱溶液中生成蒽酚酮离子，蒽酚酮离子与木质素的亚甲基醌发生还原作用，促进木质素β-醚键的断裂，加速木质素结构的解体与脱除。这一过程将蒽氢醌-2-磺酸钠(AHQS)氧化为蒽醌-2-磺酸钠(AQS)，蒽醌-2-磺酸钠(AQS)与蒽氢醌-2-磺酸钠(AHQS)之间存在还原-氧化循环，在反应过程中不消耗相当于催化剂，还原过程促进半纤维素及碳水化合物的分解，氧化过程促进木质素结构的脱除。具体的反应过程如图1所示。

步骤2、预处理麻纤维利用磷酸溶液进行纳米化处理；

本发明采用的麻纤维原料中的纤维素束为半晶态，即纤维素聚合物同时存在结晶区域和非结晶区域(不定型态)。在非结晶区域，纤维素聚合物以一种随机杂乱方式排列，导致其密度小于结晶区域。不定型态区域实际上是纤维素微束结构上的缺陷区域，非常容易受到酸的影响而解体，而结晶区域结构致密不易受到酸的影响，能保持原有的纤维素结晶状态。根据纤维素结构的这一特性，在可控的条件下，利用酸分解纤维素结构中不定型态缺陷区域，从而释放出纳米纤维素结晶态，由于纤维素束的结构比较均一，所得到的纳米纤维的尺寸也比较均一。

在本发明中通过这一过程实现了麻纤维的纳米化处理，以磷酸溶液为对预处理麻纤维进行纳米化处理酸性介质，磷酸溶液的质量浓度为60～85％，磷酸溶液的体积与麻纤维的质量的比值为7.0～15ml/g，纳米化处理的温度为30～60℃，处理时间为25～250min。有关纤维素束中结晶区域和非结晶区域(不定型态)的分布示意图如图2所示。

需要说明的是，在上述步骤2中，通过纳米化处理，利用酸分解纤维素结构中不定型态缺陷区域，从而释放出纳米纤维素结晶态。纤维素束的直径为20～100nm，最小纤维素纤维直径为3～20nm。通过控制磷酸溶液的质量浓度有利于纤维素结构中不定型态的分解。通过严格控制磷酸溶液的体积与麻纤维的质量的比值在7.0～15ml/g范围内有利于磷酸溶液充分浸渍与溶胀纤维素束。通过严格控制上述纳米化处理条件有利于充分实现纤维束结构的解体及实现纤维束的充分纳米化。

步骤3、对纳米化麻纤维进行水热处理；

将磷酸溶液与麻纤维纳米化处理完的混合物用去离子水稀释至起始体积的3～10倍，加入麻纤维原料质量0.4～1.2倍的脲，将混合物密封与带有聚四氟内衬的不锈钢反应釜中，将温度升高至120～220℃，静置1.0～5.0h。水热处理完的固体分出来，利用去离子水清洗至中性，在空气中70～90℃加热干燥。采用水热过程实现纳米纤维素的初步碳化过程，水热处理完的固体需要进一步在较高温度850～1300℃处理得到最终的碳纳米纤维。

在上述步骤3中，加入的脲用于调节溶液的pH值，进而有利于纳米纤维素的水热碳化，从而避免酸浓度过高造成纤维素结构进一步水解。将不锈钢反应釜中的温度升高至120～220℃，静置1.0～5.0h有利于实现纤维素纳米纤维的初步水热碳化。

步骤4、将水热处理产物进一步高温碳化处理，得到基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维。

将干燥后的固体进一步进行高温碳化处理，采用管式炉加热，以氮气作为载气，以2～10℃/min的升温速率升温至碳化温度850～1300℃进行碳化处理，碳化处理时间为30～90min，处理过程中氮气的流量为50～500ml/min。碳化处理完的固体在相应的氮气中冷却至室温。

需要说明的是，严格控制上述碳化处理条件有利于纤维素聚合物逐步转化为碳结构，同时也可以避免碳化过程造成微区结构不均及内在缺陷。碳化过程的中由纤维素化学结构演化为碳结构的化学反应过程如图3所示。

现有技术中，制备过程对碳纳米纤维的直径以及长度的难以实现有效控制，而且在碳纳米纤维后处理与分散上也存在一些问题。与现有技术相比，本发明采用纳米化分散处理的麻纤维作为碳纳米纤维的前体，在制备过程中可以通过对纳米化处理条件的调节与控制来实现对麻纤维衍生的纳米纤维素尺寸的控制，从而达到调节与控制碳纳米纤维直径与长度的目的。同时采用水热处理过程将麻纤维衍生的纳米纤维素转化为碳纳米纤维，可以实现材料在制备过程中的有效分散。

本发明还提供了一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维，采用上述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法进行制备，碳纳米纤维的长度L为80～1000nm，碳纳米纤维的直径D为10～100nm，L/D比值为10～40。

现有技术中，制备过程对碳纳米纤维的直径以及长度的难以实现有效控制，对于气相催化沉积过程，由于在高温条件下进行，一般催化剂分散于载体金属，这使得温度分布及反应物浓度分布不均匀，这使得碳纳米纤维生长过程的条件参数变化较大，因而造成其直径与长度难以控制。对于静电纺丝过程，由于稳定化处理无法达到要求，在升温处理过程容易引起纺丝纤维在结构以及尺寸上的波动变化，由此造成直径与长度难以控制，而且在碳纳米纤维后处理与分散上也存在一些问题。

本发明采用纳米化分散处理的麻纤维作为碳纳米纤维的前体，在制备过程中可以通过对纳米化处理条件的调节与控制来实现对麻纤维衍生的纳米纤维素尺寸的控制，从而达到调节与控制碳纳米纤维直径与长度的目的。同时采用水热处理过程将麻纤维衍生的纳米纤维素转化为碳纳米纤维，可以实现材料在制备过程中的有效分散。

实施例1

本实施例提供了一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、100g天然麻纤维(如表1所示)采用800g质量浓度为6％的氢氧化钠溶液对其进行浸渍。以上混合物置于带有聚四氟内衬的反应釜中，加入1.7g蒽醌-2-磺酸钠，在密封情况下于105℃加热处理1.5h。处理完麻纤维采用其质量8倍的去离子水，分别清洗3次，在空气中95℃干燥至其含水量低于5％。

步骤2、利用磷酸溶液对预处理完的麻纤维进行纳米化处理，磷酸溶液的质量浓度为72％，磷酸溶液与麻纤维的比值为10ml/g，纳米化处理的温度为45℃，处理时间为60min。

步骤3、将磷酸溶液与麻纤维纳米化处理完的混合物用去离子水稀释至起始体积的5倍，加入80g脲，将混合物密封与带有聚四氟内衬的不锈钢反应釜中，将温度升高至180℃，静置3.0h。水热处理完的固体分出来，利用去离子水清洗至中性，在空气中85℃加热干燥。

将干燥后的固体进一步进行高温碳化处理，采用管式炉加热，以氮气作为载气，碳化过程前的升温速率为6℃/min，碳化热处理的温度区间为1000℃，处理时间为60min，处理过程中氮气的流量为260ml/min。碳化处理完的固体在相应的氮气中冷却至室温。

表1不同天然麻纤维原料制碳纳米纤维的性能

实施例2

本实施例提供了一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、100g苎麻纤维采用800g质量浓度为6％的氢氧化钠溶液对其进行浸渍。将氢氧化钠溶液与苎麻麻纤维混合物置于带有聚四氟内衬的反应釜中，加入1.7g蒽醌-2-磺酸钠，在密封情况下于105℃加热处理1.5h。处理完麻纤维采用其质量8倍的去离子水，分别清洗3次，在空气中95℃干燥至其含水量低于5％。

步骤2、利用磷酸溶液对预处理完的麻纤维进行纳米化处理，具体处理条件如表2所示。

步骤3、将磷酸溶液与麻纤维纳米化处理完的混合物用去离子水稀释至起始体积的5倍，加入80g脲，将混合物密封与带有聚四氟内衬的不锈钢反应釜中，将温度升高至180℃，静置3.0h。水热处理完的固体分出来，利用去离子水清洗至中性，在空气中85℃加热干燥。

步骤4、干燥后的固体进一步进行高温碳化处理，采用管式炉加热，以氮气作为载气，碳化过程前的升温速率为6℃/min，碳化热处理的温度区间为1000℃，碳化处理时间为60min，处理过程中氮气的流量为260ml/min。碳化处理完的固体在相应的氮气中冷却至室温。

表2磷酸溶液纳米化处理麻纤维条件

实施例3

本实施例提供了一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、将100g苎麻麻纤维采用800g质量浓度为6％的氢氧化钠溶液对其进行浸渍。将氢氧化钠溶液与苎麻麻纤维混合物置于带有聚四氟内衬的反应釜中，加入1.7g蒽醌-2-磺酸钠，在密封情况下于105℃加热处理1.5h。处理完苎麻麻纤维后采用其质量8倍的去离子水，分别清洗3次，在空气中95℃干燥至其含水量低于5％。

步骤2、利用磷酸溶液对预处理完的麻纤维进行纳米化处理，磷酸溶液的质量浓度为72％，磷酸溶液与麻纤维的比值为10ml/g，纳米化处理的温度为45℃，处理时间为60min。

步骤3、将磷酸溶液与麻纤维纳米化处理完的混合物用去离子水稀释至起始体积的5倍，加入80g脲，将混合物密封与带有聚四氟内衬的不锈钢反应釜中，将温度至反应温度，静置至设定反应时间。水热处理完的固体分出来，利用去离子水清洗至中性，在空气中85℃加热干燥。

步骤4、干燥后的固体进一步进行高温碳化处理，采用管式炉加热，以流量为260ml/min氮气作为载气，碳化过程的条件如表3所示。碳化处理完的固体在相应的氮气中冷却至室温。

表3水热与碳化处理条件参数

现有技术制备碳纳米纤维主要有气相催化沉积法和高分子前体静电纺丝，由于具体实验条件与采用原料差异较大，相关尺寸分布没有相对统一的范围。本发明可以通过对麻纤维纳米化处理条件的调节与控制来实现对麻纤维衍生的纳米纤维素尺寸的控制，从而达到调节与控制碳纳米纤维直径与长度的目的。同时采用水热处理过程将麻纤维衍生的纳米纤维素转化为碳纳米纤维，可以实现材料在制备过程中的有效分散。本发明制备的碳纳米纤维的长度L范围为196～970nm，纳米纤维直径D范围为10～94nm，L/D比值的范围为10.2～52.5。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、利用氢氧化钠溶液和蒽醌-2-磺酸钠对天然麻纤维原料进行预处理，得到预处理麻纤维；

在所述步骤1中，采用质量浓度为2～10％的氢氧化钠溶液对天然麻纤维进行浸渍，氢氧化钠溶液的质量为天然麻纤维原料质量的5～20倍；将天然麻纤维与氢氧化钠溶液的混合物置于反应釜中，向反应釜中加入使用量为天然麻纤维原料质量的0.2～3.0％的蒽醌-2-磺酸钠；在反应釜密封情况下进行预处理，预处理温度为90～120℃，预处理时间为0.5～3.0h；预处理后采用预处理麻纤维质量10～20倍的去离子水清洗，清洗后在空气中85～120℃的条件下干燥至其含水量低于5％；

步骤2、利用磷酸溶液对预处理麻纤维进行纳米化处理，得到纳米化麻纤维；

在所述步骤2中，所述磷酸溶液的质量浓度为60～85％，磷酸溶液的体积与预处理麻纤维的质量的比值为7.0～15ml/g；所述纳米化处理温度为30～60℃，处理时间为25～250min；

步骤3、将纳米化麻纤维进行水热处理，得到水热处理产物；

步骤4、将水热处理产物进一步进行碳化处理，得到碳纳米纤维。

2.根据权利要求1所述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，采用质量浓度为6～10％的氢氧化钠溶液对天然麻纤维进行浸渍，氢氧化钠溶液的质量为天然麻纤维原料质量的8～20倍。

3.根据权利要求2所述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，将天然麻纤维与氢氧化钠溶液的混合物置于反应釜中，向反应釜中加入使用量为天然麻纤维原料质量的1.7～3.0％的蒽醌-2-磺酸钠。

4.根据权利要求3所述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，在反应釜密封情况下进行预处理，预处理温度为105～120℃，预处理时间为1.5～3.0h；预处理后采用预处理麻纤维质量10～20倍的去离子水清洗，清洗后在空气中95～120℃的条件下干燥至其含水量低于5％。

5.根据权利要求2所述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述磷酸溶液的质量浓度为72～85％，磷酸溶液的体积与预处理麻纤维的质量的比值为10.0～15ml/g。

6.根据权利要求5所述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述纳米化处理温度为45～60℃，处理时间为60～250min。

7.根据权利要求1所述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，利用使用量为天然麻纤维原料质量0.4～1.2倍的水热处理助剂脲对纳米化麻纤维进行水热处理；水热处理温度为120～220℃，处理时间为1.0～5.0h。

8.根据权利要求1所述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，碳化处理温度为850～1300℃，碳化处理时间为30～90min，处理过程中氮气的流量为50～500ml/min；

以2～10℃/min的升温速率升温至所述碳化处理温度。

9.根据权利要求1所述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，天然麻纤维为韧皮纤维苎麻、黄麻、亚麻、罗布麻和槿麻或叶纤维剑麻中的一种。

10.一种基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的基于天然麻纤维原料的碳纳米纤维的制备方法得到。

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