[发明专利]一种生物质基螺旋状碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于生物质原料的螺旋状碳纤维的制备方法，包括：种植或者购买生物质原料；在氢氧化钠、亚硫酸钠和去离子水溶液中进行恒温加热处理；在硫酸溶液中进行超声处理，经过清洗处理后制得螺旋状植物导管；将螺旋状植物导管进行碳化处理，制得尺寸可控的螺旋状碳纤维。本发明的螺旋状碳纤维的原料为生物质材料，价格低廉、产率高、易控制、制作过程安全无污染。螺旋状碳纤维的尺寸可控。螺旋状碳纤维直径为500nm～2μm，螺旋管径为4μm～6μm。本发明是一种利用生物质原料，绿色经济的制备螺旋状碳纤维的方法。

技术领域

本发明涉及一种螺旋状碳纤维的制备方法，尤其涉及一种基于生物质原料制备螺旋状碳纤维的方法。

背景技术

螺旋状碳纤维是碳材料家族中的一种，它是一种具有规则螺旋线圈或扭转结构的碳纤维。由于其独特的螺旋、开放的孔隙结构和高比表面积，在微型器械、催化、智敏材料、能源材料等领域有着潜在应用前景。近年来，在合成具有不同结构的碳纤维上引起了材料研究学者的极大兴趣。

螺旋碳纤维一般是使用有机物(如乙炔、甲烷)等作为碳源，加入催化剂通过化学气相沉积(CVD)等方法来合成。催化剂的性质和生长温度影响螺旋碳纤维的形貌与结构。这些方法都需要高能量输出，制作成本较高；在化学气相沉积法中，催化剂是其核心影响因素，故对催化剂的依赖性太高。

中国专利CN 1641083A“旋管直径为纳米级的螺旋状碳纤维及其制备方法”，公开日期2005年7月20日，报道了将带有孔隙的模板以一定的角度放入真空镀膜机内，再将高纯度的铜棒置于真空镀膜机内，在真空状态下将铜溅射沉积在模板的孔隙内和周围；将沉积有铜催化剂的模板放入气相沉积炉内，以小分子碳氢化合物为碳源，以H₂为还原气，N₂为稀释气，在750±20℃下进行反应，在模板孔隙内生长螺旋碳纤维的方法。该方法制作工序复杂，成本高，且对催化剂的依懒性太高。

中国专利CN 101899726A“一种制备纳米碳纤维的方法”，公开日期2010年12月1日，公开了一种制备纳米碳纤维的方法，在催化条件下催化C₂H₂得到线形和螺旋形纳米碳纤维，包括以下步骤：(a)酒石酸铜粉末分散于陶瓷舟基板载体上，分散于陶瓷小舟基板载体的量的范围是0.5-2.5mg/cm2；(b)装有酒石酸铜粉末的陶瓷小舟放入卧室炉中的石英管中部，控制加热炉温度270℃-390℃，在分解气氛中分解酒石酸铜15-60分钟得到催化剂颗粒；(c)控制反应温度在195℃-274℃，采用乙炔气体为反应物，在催化剂颗粒上原位制备出线形或者螺旋形纳米纤维。采用本发明的手段，通过催化剂前驱体的分解气氛不同，来影响催化剂颗粒的大小、几何形貌，从而催化乙炔得到不同形貌的纳米碳纤维。该方法制作工序复杂，且对催化剂的依懒性太高。

面对人口增长带来的能源需求和以化石燃料为基础的社会生产带来的环境问题，功能材料的制备也急需满足绿色可持续的要求。因此在制备碳基微/纳米材料原料的选择上不断探索，实现从化学试剂到淀粉、葡萄糖等食品有机质直至有机废弃物的转变。以可再生的资源制造新型高效的碳材料不仅实现了低成本、大规模生产的要求，也成为满足可持续发展最好的选择，因此很快发展为材料领域的核心之一。

本发明提出了一种新的螺旋状碳纤维制备方法，即以价格低廉的生物质如可再生树叶落叶或茶叶等为原材料，通过碱液高温浸泡和酸液提纯处理得到植物提体内的螺旋状导管，再以导管为模板通过碳化制备螺旋状碳纤维。调节反应溶液中氢氧化钠、亚硫酸钠浓度，硫酸浓度和碳化温度等可控制碳纤维的形貌。这种制备方法对现有螺旋碳纤维制备方法进行了补充，为生物质废弃物的处理和应用提供新的思路。与目前螺旋状碳纤维的制备方法相比，具有过程简单、易控制、绿色环保、制作成本低等优点。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于生物质原料制备螺旋状碳纤维的制备方法。本发明的所需设备简单、操作工艺便利、易控制、绿色环保、制作成本低；通过利用被子植物中导管尺寸，易于实现对螺旋状碳纤维的范围和长度进行精确控制。