CN1468987A - 同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳纤维的制备技术，特别涉及一种同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维。将聚丙烯腈纳米纤维经过预氧化及碳化过程制备出同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维；所述的聚丙烯腈纳米纤维的预氧化过程是在温度为200－300℃，将聚丙烯腈纳米纤维在空气浴中恒温加热1/3－2小时，制得聚丙烯腈的预氧化丝；所述的聚丙烯腈纳米纤维的碳化过程是在温度为900－1600℃，将制得的聚丙烯腈的预氧化丝在高纯氮气浴中恒温加热1/2－4小时，得到同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维。将纯水、酸或碱滴到纳米碳纤维的纵向表面进行接触角测定，接触角均大于150°。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维的制备技术，特别涉及一种同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维。
背景技术
纳米碳纤维是一种十分独特的纳米碳材料，具有许多与众不同的性质，它除了具有普通碳纤维的特性如：低密度、高比模量、高比强度、高导电性等性能外，还具有缺陷数量非常少、比表面积大、导电性能好、结构致密等优点，可望用于催化剂或催化剂载体、储氢材料、锂离子二次电池阳极材料、双电层电容器电极、高效吸附剂、分离剂、结构增强材料等。申请号为：CN99116576.4公开了一种低噪音碳纤维纳米电极的制备方法，采用火焰熔融及火焰蚀刻技术制备了尖端直径为100-300nm的低噪音碳纤维纳米电极。该方法制备简单优良、成本低、电极的电化学性能优良，具有不渗漏、噪音低、灵敏度高的特点。申请号为：CN99112902.4公开了一种纳米碳纤维储氢材料的制备技术，制备出的纳米碳纤维直径在5-100nm，使用该方法可以制备出储氢量大、性能稳定的储氢材料，且简便易行，适合工业化生产。但是，上述发明技术多集中在对纳米碳纤维在储氢及电极方面的研究，未涉及到对纳米碳纤维表面浸润性的研究。本发明人一在先申请的发明专利，申请号为：CN01110291.8，提供了一种超双疏性(同时疏水疏油)薄膜的制备方法，该薄膜是由具有阵列结构的纳米管或纳米纤维经过表面处理后组成的。该发明具有制备工艺简单、疏水疏油效果好、性能稳定等优点；但该发明中的超双疏薄膜需要用疏水剂进行表面处理。本发明人另一在先申请的发明专利，申请号为：01120628.4，提供了一种具有超疏水性表面的聚合物纳米纤维束的制法，所制得聚合物纳米纤维束纵向表面不需任何表面处理即表现为超疏水性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维。该纤维无需进行表面处理，且纤维的纵向表面不仅具有超疏水性，而且具有超疏酸、超疏碱的性质。
本发明的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维，是通过下面方法制备得到的：
采用本发明人在先申请的发明专利技术，申请号为：CN01115530.2，制备具有超疏水性表面的聚丙烯腈纳米纤维，该聚丙烯腈纳米纤维的直径为20-500nm。
该方法可采用模板挤压法制备聚丙烯腈纳米纤维，以孔径为20-500nm的多孔氧化铝为模板，
1.以重量百分比浓度为17-25％的聚丙烯腈的二甲基甲酰胺溶液为原溶液，以重量百分比浓度为40-60％的二甲基甲酰胺溶液为凝固液；将原溶液挤入到凝固液中，其中原溶液的挤入量以聚丙烯腈凝固为准；或
2.以重量百分比浓度为18-21％的聚丙烯腈的二甲基乙酰胺溶液为原溶液，以重量百分比浓度为40-65％的二甲基乙酰胺溶液为凝固液；将原溶液挤入到凝固液中，其中原溶液的挤入量以聚丙烯腈凝固为准；或
3.以氯化锌-氯化钠的混合水溶液为溶剂，配制重量百分比浓度为8-12％的聚丙烯腈溶液为原溶液，其中氯化锌占溶剂总量50-55％，氯化钠占3-6％，其余为水；以氯化锌-氯化钠的混合水溶液为凝固液，其中氯化锌占13-16％，氯化钠占0.5-1.5％，其余为水；将原溶液挤入到凝固液中，其中原溶液的挤入量以聚丙烯腈凝固为准。
制备出的聚丙烯腈纳米纤维的直径为20-500nm。
将聚丙烯腈纳米纤维经过预氧化及碳化过程制备出同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维。
所述的聚丙烯腈纳米纤维的预氧化过程是在温度为200-300℃，将聚丙烯腈纳米纤维在空气浴中恒温加热1/3-2小时，制得聚丙烯腈的预氧化丝。
所述的聚丙烯腈纳米纤维的碳化过程是在温度为900-1600℃，将制得的聚丙烯腈的预氧化丝在高纯氮气浴中恒温加热1/2-4小时，得到同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维。
将纯水、酸或碱滴到所制的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维的纵向表面进行接触角测定，接触角均大于150°。所用酸包括硫酸、硝酸或盐酸。所用碱包括氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。所用溶液pH值为1-14。
本发明的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维，在许多方面均有良好的用途：
1.本发明的纳米碳纤维具有不粘水、不粘酸、不粘碱的特征，可用于防污表面处理，特别适用于易腐蚀性材料的表面处理。
2.将本发明的纳米碳纤维用于水中运输工具或水下核潜艇上，可以减少水的阻力，提高行驶速度。
3.本发明的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维可用于无损失超微量液体的输送及液体的限域定位。
4.将本发明的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维用于微量注射器针尖上，可以完全消除昂贵药品在针尖上的粘附及由此带来的对针尖的污染。
5.本发明的同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维可用于无吸附蛋白质分离。
采用本发明的方法制得的纳米碳纤维，具有以下特点：
1.制备工艺简单，原料易得。以聚丙烯腈纳米纤维为原料，经过预氧化阶段及碳化阶段，制备纳米碳纤维。
2.所制得的碳纤维为聚丙烯腈基纳米碳纤维，纤维的直径为5-300nm。
3.所制得的碳纤维纵向具有纳米级凸凹不平的粗糙表面，该表面表现出超疏水性，即对水的接触角大于150°。
4.所制得的碳纤维具有良好的耐热及耐酸碱腐蚀性，其纵向表面表现出超疏酸及超疏碱的性质，即对酸及碱的接触角均大于150°。
5.所制得的碳纤维纵向表面对水溶液的接触角在全pH值范围内均大于150°。
下面结合实施例及附图详述本发明：
附图说明
图1.本发明实施例1的纳米碳纤维表面的扫描电子显微镜照片。
图2.本发明实施例1的水滴在纳米碳纤维表面的静态接触角照片。
图3.本发明实施例1的浓硫酸在纳米碳纤维表面的静态接触角照片。
图4.本发明实施例1的饱和氢氧化钠在纳米碳纤维表面的静态接触角照片。
图5.本发明实施例1的不同pH值的溶液在碳纳米纤维表面的静态接触角测定结果。
具体实施方式
实施例1
1.用模板挤压法，以孔径为100nm的多孔氧化铝为模板，以重量百分比浓度为18％的聚丙烯腈的二甲基甲酰胺溶液为原溶液，以重量百分比浓度为40％的二甲基甲酰胺溶液为凝固液，制备出直径为104.6nm的聚丙烯腈纳米纤维。
2.将上述聚丙烯腈纳米纤维置于管式炉中，在恒温220℃，空气浴中加热1小时，制得聚丙烯腈的预氧化丝，该预氧化丝具有耐热的梯形结构，可以阻止进一步加热过程中可能造成的分子结构发生紊乱，使其在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态。
3.将以上制得的聚丙烯腈的预氧化丝在900℃，高纯氮气浴中加热1小时，待冷却到25℃时停止通氮气，关闭管式炉，取出样品，得到纳米碳纤维。
该纳米碳纤维的纵向表面的扫描电子显微镜照片如附图1所示，水滴在该纳米碳纤维纵向表面的静态接触角照片如附图2所示，浓硫酸在该纳米碳纤维纵向表面的静态接触角照片如附图3所示，饱和氢氧化钠在该纳米碳纤维纵向表面的静态接触角照片如附图4所示。不同pH值的溶液在碳纳米纤维表面的静态接触角测定结果如附图5所示。
该纳米碳纤维平均直径为41.8nm，纤维与纤维间的平均距离为52.3nm；该纳米碳纤维纵向表面对水的接触角测定值为161.2°；该纳米碳纤维纵向表面对浓硫酸的接触角测定值为158.9°；该纳米碳纤维纵向表面对饱和氢氧化钠的接触角测定值为159.3°。
实施例2
1.采用模板挤压法，以孔径为50nm的多孔氧化铝为模板，以重量百分比浓度为20％的聚丙烯腈的二甲基乙酰胺溶液为原溶液，以重量百分比浓度为45％的二甲基乙酰胺溶液为凝固液，制备出直径为51.3nm的聚丙烯腈纳米纤维。
2.将上述聚丙烯腈纳米纤维置于管式炉中，在恒温270℃，空气浴中加热1/3小时，制得聚丙烯腈的预氧化丝。
3.将以上制得的聚丙烯腈的预氧化丝在1500℃，高纯氮气浴中加热1.5小时，待冷却到30℃时停止通氮气，关闭管式炉，取出样品，得到纳米碳纤维。
该纳米碳纤维平均直径为23.7nm，纤维与纤维间的平均距离为36.7nm；该纳米碳纤维纵向表面对水的接触角测定值为155.2°；该纳米碳纤维纵向表面对浓盐酸的接触角测定值为153.8°；该纳米碳纤维纵向表面对氨水的接触角测定值为154.6°。
实施例3
1.采用模板挤压法，以孔径为200nm的多孔氧化铝为模板，以组成为含52％氯化锌、5％氯化钠的混合水溶液为溶剂，配制重量百分比浓度为10％的聚丙烯腈溶液为原溶液；以组成为含16％氯化锌、0.8％氯化钠的氯化锌-氯化钠的混合水溶液(重量百分比)为凝固液，制备出直径为206.7nm的聚丙烯腈纳米纤维。
2.将上述聚丙烯腈纳米纤维置于管式炉中，在恒温250℃，空气浴中加热0.5小时，制得聚丙烯腈的预氧化丝。
3.将以上制得的聚丙烯腈的预氧化丝在1100℃，高纯氮气浴中加热2小时，待冷却到28℃时停止通氮气，关闭管式炉，取出样品，得到纳米碳纤维。
该纳米碳纤维平均直径为96.7nm，纤维与纤维间的平均距离为123.6nm；该纳米碳纤维纵向表面对水的接触角测定值为153.2°；该纳米碳纤维纵向表面对浓硝酸的接触角测定值为156.9°；该纳米碳纤维纵向表面对饱和氢氧化钾的接触角测定值为151.3°。
Claims (3)
1.一种同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维，其特征是：所述的纳米碳纤维是通过下面方法制备得到的：
将聚丙烯腈纳米纤维经过预氧化及碳化过程制备出同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维；
所述的聚丙烯腈纳米纤维的预氧化过程是在温度为200-300℃，将聚丙烯腈纳米纤维在空气浴中恒温加热1/3-2小时，制得聚丙烯腈的预氧化丝；
所述的聚丙烯腈纳米纤维的碳化过程是在温度为900-1600℃，将制得的聚丙烯腈的预氧化丝在高纯氮气浴中恒温加热1/2-4小时，得到同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米碳纤维。
2.如权利要求1所述的纳米碳纤维，其特征是：所述的纳米碳纤维的纤维直径为5-300nm。
3.如权利要求1所述的纳米碳纤维，其特征是：所述的聚丙烯腈纳米纤维是采用模板挤压法制备得到的，其是以孔径为20-500nm的多孔氧化铝为模板，
以重量百分比浓度为17-25％的聚丙烯腈的二甲基甲酰胺溶液为原溶液，以重量百分比浓度为40-60％的二甲基甲酰胺溶液为凝固液；将原溶液挤入到凝固液中，其中原溶液的挤入量以聚丙烯腈凝固为准；或
以重量百分比浓度为18-21％的聚丙烯腈的二甲基乙酰胺溶液为原溶液，以重量百分比浓度为40-65％的二甲基乙酰胺溶液为凝固液；将原溶液挤入到凝固液中，其中原溶液的挤入量以聚丙烯腈凝固为准；或
以氯化锌-氯化钠的混合水溶液为溶剂，配制重量百分比浓度为8-12％的聚丙烯腈溶液为原溶液，其中氯化锌占溶剂总量50-55％，氯化钠占3-6％，其余为水；以氯化锌-氯化钠的混合水溶液为凝固液，其中氯化锌占13-16％，氯化钠占0.5-1.5％，其余为水；将原溶液挤入到凝固液中，其中原溶液的挤入量以聚丙烯腈凝固为准；
制备出的聚丙烯腈纳米纤维的直径为20-500nm。
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