[发明专利]静电纺丝装置、取向多孔Gr/PAN复合纳米纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种静电纺丝装置、取向多孔Gr/PAN复合纳米纤维及其制备方法，该静电纺丝装置以两根平行放置的导电铜丝作为接收装置，并在其与注射器的针头之间附加射流控制装置，使纺丝工程连续顺畅，可以制备出大量高取向的多孔复合纤维；该制备方法采用上述的静电纺丝装置，以聚丙烯腈(PAN)作为碳基材料，采用N‑N二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水(H2O)两种溶剂体系来制备取向多孔复合Gr/PAN纳米纤维。该制备方法操作方便、控制简便、工艺流程短，且能以较低成本大量制备得到取向多孔的Gr/PAN复合纳米纤维，相比无序导电纳米纤维，取向导电纳米纤维具有更好的导电性能和物理机械性能，有利于拓宽电纺导电纳米纤维的应用领域。

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置、取向多孔Gr/PAN复合纳米纤维及其制备方法。

背景技术

随着纳米科技的发展，人们对于纤维材料的要求越来越高，如何得到高性能、高附加值的纤维材料产品是近年来研究的重要方向之一。在纤维材料体系中，多孔材料由于具有超高表面能、超高表面活性、优异的吸波性等突出优点，受到科学家们的广泛关注并被应用于电子器件、化学工程及生物医药领域等。

纳米磁性材料作为一种新兴功能材料，由于其独特的物理化学性质，使其在物理、化学等方面表现出与常规磁性材料不同的特殊用途。传统的静电纺丝因制备的纤维通常杂乱无章而影响纤维导电性、力学、磁性等性能，相比无序导电纳米纤维，取向导电纳米纤维具有更好的导电性能和物理机械性能，有利于拓宽电纺导电纳米纤维的应用领域。石墨烯(Gr)是一种从石墨材料中剥离出的单层sp²杂化的碳原子材料，具有共轭堆叠的π电子，是碳的二维结构，由于具有显著的力学、电学等优点而成为非常欢迎的纳米纤维增强材料。

静电纺丝是制备多孔纳米纤维的有效方法之一，已有很多学者使用此法制备了多孔纳米纤维。作为一种已经被公认为是最简单高效的聚合物纳米纤维生产技术，静电纺丝是在高压电场环境下，利用电场力克服溶液或者熔体的泰勒锥的表面张力并对发生电荷转移的纺丝液体进行拉伸细化而形成纳米纤维的技术。由静电纺丝工艺所制备的纳米纤维膜/束以其所具有的高表面积、高表面能和高表面活性等性能在各种各样的领域都受到欢迎。然而，传统的静电纺丝方法及静电纺丝装置因制备的纤维通常杂乱无章而影响纤维导电性。并且，单纯聚合物的无序多孔纳米纤维由于其导电性、力学等性能相对较差而导致应用受到多方面限制，无法应用于生物医药，微波吸收，光学，电化学等诸多领域。其中，应用于电化学领域的材料要求具有较高的比表面积来提高材料的储能性能、气体吸脱附性能等。

基于上述情况，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静电纺丝装置、取向多孔Gr/PAN复合纳米纤维及其制备方法，通过该静电纺丝装置和制备方法以聚丙烯腈(PAN)作为碳基材料，以石墨烯(Gr)作为导电粒子，并采用N-N二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水(H₂O)两种溶剂体系，通过设有射流控制装置的静电纺丝装置来进行静电纺丝，从而得到具有取向的多孔Gr/PAN复合导电纳米纤维。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种静电纺丝装置，包括供液装置、注射器、至少两个高压电源、射流控制装置以及接收装置，所述注射器与供液装置连接，所述注射器上设有针头，所述针头和接受装置分别连接其中一个所述高压电源的正极和负极，所述接收装置为平行放置的两根导电铜丝，所述射流控制装置设置在所述接收装置和针头之间，且所述射流控制装置与至少一个所述高压电源的正极连接。

进一步地，所述射流控制装置为导电铜环。

本发明还提供一种取向多孔Gr/PAN复合纳米纤维的制备方法，采用所述的静电纺丝装置，所述取向多孔Gr/PAN复合纳米纤维的制备方法包括以下步骤：

S1、提供DMF溶液、聚丙烯腈以及石墨烯，将所述石墨烯加入至DMF溶液中并搅拌，随后超声震荡，再搅拌加入所述聚丙烯腈，得到纺丝溶液；