[发明专利]大比表面积高强度柔性静电纺丝炭纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及静电纺丝技术领域，是一种大比表面积高强度柔性静电纺丝炭纤维及其制备方法，前者按照下述方法得到：将炭量子点与聚丙烯腈混合，得到纺丝液，将纺丝液进行静电纺丝，得到纤维，将纤维预氧化后进行炭化，向得到的炭纤维中加入氢氧化钾并活化，得到活化纤维，用盐酸中和除去活化纤维中多余的氢氧化钾和无机盐离子后，清洗、自然风干得到大比表面积高强度柔性静电纺丝炭纤维。本发明由于炭量子点表面丰富的含氧官能团，使其能均匀地分散在在聚丙烯腈基底中，得到的炭纤维经过活化造孔后仍然保持原有的纳米结构和高机械强度、高柔性的特点，并且获得巨大的比表面积。本发明工艺简单，成本低，适合大工业化生产。

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，是一种大比表面积高强度柔性静电纺丝炭纤维及其制备方法。

背景技术

静电纺丝是一种新型的非纺织成丝技术，以装置简单、成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等特点，成为制备纳米纤维材料的主要途径之一。其中，具有大比表面积的静电纺丝炭纤维在电化学储能、高效催化、生物组织工程等多个领域具有出色的应用前景。但是，电纺炭纤维本身质硬而脆，而且随着丰富孔道结构的引入，炭纤维的的机械性能和柔性进一步大幅度下降，从而限制了多孔炭纤维的应用性能和范围，因此，开发具有良好机械性能和柔性的多孔电纺炭纤维仍是目前该领域亟待解决的热点问题。为解决炭纤维织物机械性能不足的问题，前人工作主要集中于在炭纤维中原位引入具有较高长径比的纳米增强剂（如碳纳米管、石墨烯等）。然而该类增强剂尺寸较大，不易大量添加，且与基底的相溶性不佳使其在纤维中分布不均匀，不能达到整体增强的效果。另外，大部分增强的炭纤维缺少丰富的孔道结构，不能很好的满足电化学储能、吸附材料、催化剂载体等领域应用的需要。

发明内容

本发明提供了一种大比表面积高强度柔性静电纺丝炭纤维及其制备方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决大比表面积的静电纺丝炭纤维柔性差和机械性能不足这一问题。并且还可以将这种大比表面积高柔性的炭纤维应用于自支撑的超级电容器和吸附等领域。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种大比表面积高强度柔性静电纺丝炭纤维及其制备方法，按照下述方法制备得到：第一步，将聚丙烯腈溶于N-N,二甲基甲酰胺中配制质量百分浓度为5%至10%的纺丝液，再将具有含氧官能团、小尺寸的炭量子点与聚丙烯腈按照1：0.1至2的比例加入纺丝液中，通过超声和搅拌使其完全分散；第二步，将纺丝液在纺丝温度为10℃至70℃的条件下进行静电纺丝得到纤维；第三步，将纤维在温度为180℃至300℃的条件下进行预氧化0.5h至10h，得到预氧化纤维；第四步，将预氧化纤维在氮气中升温至温度为500℃至1500℃，进行炭化1h至5h，得到炭纤维；第五步，向炭纤维中加入所需量的氢氧化钾并在氮气中升温至温度为500℃至1000℃，进行活化1h至5h，得到活化炭纤维，其中，炭纤维与氢氧化钾的加入质量比为1:0.1至10；第六步，用盐酸中和除去活化炭纤维中多余的氢氧化钾和无机盐离子后，用蒸馏水清洗活化炭纤维至清洗液为中性，自然风干得到大比表面积高强度柔性静电纺丝炭纤维。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种大比表面积高强度柔性静电纺丝炭纤维的制备方法，按照下述步骤进行：第一步，将聚丙烯腈溶于N-N,二甲基甲酰胺中配制质量百分浓度为5%至10%的纺丝液，再将具有含氧官能团、小尺寸的炭量子点与聚丙烯腈按照1：0.1至2的比例加入纺丝液中，通过超声和搅拌使其完全分散；第二步，将纺丝液在纺丝温度为10℃至70℃的条件下进行静电纺丝得到纤维；第三步，将纤维在温度为180℃至300℃的条件下进行预氧化0.5h至10h，得到预氧化纤维；第四步，将预氧化纤维在氮气中升温至温度为500℃至1500℃，进行炭化1h至5h，得到炭纤维；第五步，向炭纤维中加入所需量的氢氧化钾并在氮气中升温至温度为500℃至1000℃，进行活化1h至5h，得到活化炭纤维，其中，炭纤维与氢氧化钾的加入质量比为1:0.1至10；第六步，用盐酸中和除去活化炭纤维中多余的氢氧化钾和无机盐离子后，用蒸馏水清洗活化炭纤维至清洗液为中性，自然风干得到大比表面积高强度柔性静电纺丝炭纤维。