[发明专利]一种带状多孔纳米碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，特别涉及一种带状多孔纳米碳纤维及其制备方法。

背景技术

碳纤维是一种具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐化学腐蚀、低电阻、热导系数高、耐辐射等良好特性高性能纤维，因此其具有广泛的应用，具体表现在在航空航天、交通运输、体育器材以及场发射显示材料等领域。随着技术的不断进步，纤维的直径、截面、形貌越来越多样化，碳纳米纤维的出现使碳纤维的比表面积增大了许多倍，这使碳纤维在储氢、催化、吸附等领域有了新的应用。为了进一步增大碳纤维的比表面积，可使碳纤维的表面或内部出现多孔结构(包括微孔、介孔、大孔)，这一技术的突破使得碳纤维在能源储存和转移领域有了更广泛的应用。

目前文献中报道的多孔纳米碳纤维截面一般为圆柱状或带状、圆柱状与椭圆状的混合型。Liu等人用PAN加硝酸钴静电纺丝得到有中孔、大孔存在的圆柱状截面多孔纳米碳纤维，且纤维质脆，比表面积最高为468m²/g(L.Ying，J.Zhou，L.Chen，Z.Peng，W.Fu，Z.Hao，Y.Ma，X.Pan，Z.Zhang，W.Han，Highly Flexible Freestanding Porous Carbon Nanofibers for Electrodes Materials of High-Performance All-Carbon Supercapacitors，Acs Applied Materials&Interfaces7(42)(2015)23515.)。专利(201510385278.X)介绍了用PVP加氧化锌静电纺丝得到的碳纤维，该碳纤维截面为圆柱状、椭圆状与带状的混合型，且纤维直径、形貌分布不均。而相比于柱形多孔碳纤维，带状多孔碳纤维与聚合物基体的结合会更牢固，因此更适宜于制备一些碳纤维增强复合材料。此外，带状纤维在固化和碳化时受热更为均匀(厚度较小)，纤维内部的固化会更充分，而活化时活化分子也更容易进入纤维内部，因此可能制备出比表面积更高的活性碳纤维。因此，发展一种带状截面、孔结构可调、可自支撑成膜的柔性多孔碳纤维的制备方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种采用金属无机盐为造孔剂和酚醛树脂为碳前驱体的具有中孔结构的带状多孔纳米碳纤维的制备方法及其制品。该方法工艺简单、采用一般稀酸便能洗去造孔剂、成本低廉。所制备的带状多孔纳米碳纤维具有扁平状横截面结构，纤维截面宽600-900nm，厚100-300nm，纤维含有丰富的3-30nm中孔，通过调节纺丝液中金属无机盐酚醛树脂的比例和纺丝工艺参数可以很容易调控孔结构与孔径分布。

本发明提供的一种制备带状多孔碳纤维的方法，包含以下步骤：(1)先将金属无机盐溶于有机溶剂中，在10～50℃下搅拌至完全溶解。10min后加入酚醛树脂乙醇溶液，继续搅拌2-5h。最后，加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌10-20h，得到均一溶液。对混合溶液进行脱泡处理，然后室温下密封静置1-3天得到纺丝液；(2)将步骤(1)所得纺丝液装入注射装置进行静电纺丝制备纳米碳纤维原丝，推进速度为5-40uL/min，电压为10-30KV，两级间距为10-35cm，纺丝环境温度为10-50℃，湿度为5％-20％；(3)将步骤(2)得到的原丝纤维在100-200℃流动空气中固化1-24h，升温速率为1-5℃/min；(4)将步骤(3)得到的固化纤维在氮气或氩气气氛中以1-3℃/min升至700-1100℃恒温1-5h进行碳化，之后待其自然冷却后取出样品。取出样品采用浓度为2-10wt％的盐酸、硝酸、草酸、硫酸水溶液浸渍搅拌1-3天，然后反复水洗至滤液为中性。烘干得到带状多孔纳米碳纤维。