[发明专利]一种具有超双疏特性的柔性碳纤维的制备方法

说明书

一种具有超双疏特性的柔性碳纤维的制备方法，属于超双疏材料生产技术领域。将聚丙烯腈和乙酰丙酮锰溶解于N,N‒二甲基甲酰胺中，形成均匀的静电纺丝溶液，通过静电纺丝技术，制备得到纳米纺丝纤维；将纳米纺丝纤维先经过预氧化后，再置于氮气氛围中进行高温碳化处理，获得锰掺杂的纳米碳纤维；将锰掺杂的纳米碳纤维放入POTS的乙醇溶液中浸泡，得到超双疏柔性碳材料。本发明工艺简单，纺丝纤维形貌可调节，绿色环保。纺丝碳纤维尺寸平均300～450 nm，制备的具有超双疏特性的碳纤维，在不同pH下表现出接触角约为155°，滚动角约4°。对不同油的接触角约为152°。

技术领域

本发明属于超双疏材料生产技术领域。

背景技术

静电纺丝作为一种低成本且简单的方法有望在制备大规模纳米材料方面获得广泛应用。静电纺丝制备的碳纳米纤维通常具有好的导电性和高的长径比，而且可以形成自支撑的无纺布状结构。碳纳米纤维膜（ CNFs）具有优异的拉伸强度、热稳定性、导电性和催化活性，是近年来世界各国科研工作者的研究热点。然而，较差的弯曲性能以及本身的脆性严重限制了其在复合材料领域的应用。

目前，随着城市建设的迅猛发展，人们对居住环境的要求越来越高，城市建筑在给人们带来艺术享受的同时，它的日常清洁却存在许多的难题。毫无疑问，自清洁技术目前已经引起国内外科学家的广泛关注。事实上，大自然已经给予人们许多关于自清洁的启示，例如出淤泥而不染的荷叶。然而，这种基于“荷叶效应”的超双疏自清洁表面，目前在国内外尚无实现产业化。影响超双疏自清洁表面实用化的原因之一，就是因为目前研制的大多数自清洁表面只具有超疏水特性（而不能超疏油）；这些超疏水表面对油不具有排斥力，因此对于油污等污渍，往往束手无策。因此，具有超双疏性能的表面越来越受到人们的关注。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷，为了适应市场对自清洁材料的需要，本发明提出一种制备一种具有超双疏特性的柔性碳纤维的方法。

本发明包括以下步骤：

1）将聚丙烯腈和乙酰丙酮锰溶解于N,N‒二甲基甲酰胺中，形成均匀的静电纺丝溶液，通过静电纺丝技术，制备得到纳米纺丝纤维；

2）将纳米纺丝纤维先经过预氧化后，再置于氮气氛围中进行高温碳化处理，获得锰掺杂的纳米碳纤维；

3）将得到的锰掺杂的纳米碳纤维放入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（POTS）的乙醇溶液中浸泡，得到超双疏柔性碳材料。

本发明通过静电纺丝技术，以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，制备了锰掺杂聚丙烯腈的均一纳米纤维。然后经过高温碳化处理，制备出具备柔性的纳米纤维薄膜碳材料，并借助扫描电镜碳纤维进行表征，可看到纤维表面有一定的粗糙度。将碳纤维放入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（POTS）的乙醇溶液中浸泡，烘干、冷却后进行性能测试，测试结果表明柔性碳纤维具有一定的超双疏特性，且在超双疏领域及自清洁材料中具有重要的应用。

本发明方法具有工艺简单，纺丝纤维形貌可调节，绿色环保等优点。纺丝碳纤维尺寸平均300～450 nm，制备的具有超双疏特性的碳纤维，在不同pH下表现出接触角约为155°，滚动角约4°。对不同油的接触角约为152°。

本发明方法制得的具有超双疏特性的柔性碳纤维具有重量轻、可弯折、易携带、生产成本低廉等优点，可扩大超双疏界面材料的应用领域，如涂在轮船的外壳、燃料储备箱上，可以达到防污、防腐的效果；用于石油管道的运输过程中，可以防止石油对管道黏附，从而减少运输过程中的能量损耗；用超双疏材料修饰纺织品；而在建筑和汽车上使用的玻璃要求其必须具备防水、防雾、自清洁和低辐射等功能。

进一步地，本发明所述步骤1）中聚丙烯腈和乙酰丙酮锰的投料质量比为2～8∶1。本发明采用少量的乙酰丙酮锰就可以改善碳纤维形貌。还可通过调控不同比例的聚丙烯腈与乙酰丙酮锰含量，制备不同程度柔韧性的碳材料。