一种多孔碳纳米纤维的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功能材料领域，涉及纳/微米纤维材料制备领域，具体涉及了一种以多种聚合物混合溶液做前驱液并通过静电纺丝制备多孔碳纳米纤维的制备方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米纤维是一种新型碳材料，具有优异的物理性能和化学性能，如高的比表面积、较好的机械性能、较好的导电性、导热性和热稳定性，可广泛被应用于高性能电极材料、高性能复合材料、催化剂材料等。制备碳纳米纤维的方法有模板合成法、自组装、相分离等，但是这些方法工艺复杂，成本高。静电纺丝技术是一种简单高效的可以使用聚合物制备纳米纤维的方法，其制备的纤维直径在几十纳米到几个微米的范围内。静电纺丝装置简单、工艺可控、成本低廉，可大批量制备出直径分布均匀形状规则的纳米纤维。另外，碳纳米纤维在应用中表现出相对有效利用面积低的缺点。与传统的单一聚合物静电纺丝制备方法相比，使用多种聚合物混合静电纺丝，可以根据不同聚合物的碳化过程的不同，通过对不同的聚合物进行合理配比，创造出不同的孔径分布和比表面积，丰富材料的孔隙结构。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术缺点和不足，本发明的目的在于提供一种多孔碳纳米纤维的制备方法。本发明以多种聚合物混合溶液作为前驱液，然后进行静电纺丝，碳化，得到一种多孔碳纳米纤维。该制备方法工艺简单、易操作、成本低、产率高、环境友好，所制备的产物可以具有不同的比表面积和孔径分布。
[0004]本发明目的通过以下技术方案来实现:
[0005]一种多孔碳纳米纤维的制备方法，具体包括以下步骤:
[0006](I)称取聚合物，加入溶剂中，磁力搅拌得到均匀的纺丝前驱液；
[0007](2)将纺丝前驱液注入带有喷丝头的注射器中，再将注射器固定在推进泵上；设置静电纺丝参数，施加直流高电压，将纺丝前驱液进行静电纺丝，所纺出的纤维被接收装置接收，得到纳米纤维；
[0008](3)将纳米纤维在空气中进行预氧化，预氧化温度为100?300°C，预氧化的时间为2?5h，升温速率I?5°C /min，得到预氧化的纳米纤维；
[0009](4)在惰性或者还原性气氛中，将预氧化的纳米纤维进行碳化，碳化的温度为600?1400°C，碳化的时间为2?5h，升温速率3?10°C /min，得到碳纳米纤维。
[0010]所述聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚苯胺、尼龙6、尼龙66、酚醛树脂、醋酸纤维素、聚氯乙烯、聚酰亚胺或聚乙烯咔唑中的两种或两种以上。
[0011]所述溶剂为蒸馏水、乙醇、氯仿、二甲基甲酰胺、二氯甲烷、四氢呋喃、甲酸、丙酮或二甲基乙酰胺中的一种以上。
[0012]所述磁力搅拌的时间为5?36h，磁力搅拌转速为100?1000r/min。
[0013]所述的纺丝前驱液中聚合物的质量浓度为6%?40%。
[0014]所述静电纺丝采用单喷嘴/多喷嘴。
[0015]所述接收装置为金属基底接收器如平板、旋转圆筒、丝网、圆盘、铁饼型收集轮等。
[0016]所述静电纺丝参数为纺丝电压U = 8?20kV，接收装置和喷丝头之间的距离L =5?20cm，推进速率R = I?8mL/h。
[0017]所述惰性或者还原性气氛是指氮气、氦气、氩气或氩氢混合气的氛围。
[0018]本发明与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0019](I)本发明方法具有工艺简单、易操作、成本低、产率高、环境友好等优点，有利于工业化大规模生产。
[0020](2)本发明方法可制备出不同的孔径分布和比表面积的碳纳米纤维。
[0021](3)本发明所制备的多孔碳纳米纤维可以应用于超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、燃料电池、锂空气电池、催化剂及催化剂载体、吸附过滤材料等领域。
【附图说明】
[0022]图1是碳纳米纤维制备工艺流程图；
[0023]图2为实施例1制备的多孔碳纳米纤维的扫描电镜图；
[0024]图3为实施例1制备的多孔碳纳米纤维的氮气吸附脱附绝热等温线图；
[0025]图4为说明实施例1制备的静纺纳米纤维的热重图；
[0026]图5为说明实施例2制备的静纺纳米纤维的热重图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0028]实施例1
[0029]一种多孔碳纳米纤维的制备方法，具体包括以下步骤:
[0030](I)按照质量比1:2称取聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮，加入到二甲基甲酰胺溶剂中，两种聚合物质量分数分别为10%、20%，磁力搅拌24h，磁力搅拌速度为100r/min，得到纺丝前驱液；
[0031](2)将纺丝前驱液注入带有喷丝头的注射器，再将注射器固定在推进泵上；设置纺丝电压U = 15kV，接收器和喷丝头之间的距离L = 15cm，推进速率R = lmL/h，开始静电纺丝，纺出的纤维被接收器接收，得到纳米纤维；
[0032](3)将纳米纤维，在空气气氛中进行预氧化，预氧化的温度为280°C，预氧化2h，升温速率rc /min，得到预氧化的纳米纤维；
[0033](4)将预氧化的纳米纤维在氮气气氛中进行碳化，碳化的温度为1000°C，碳化时间为2h，升温速率5°C /min，进行碳化后，降温到室温，得到碳纳米纤维(即多孔碳纳米纤维)。
[0034]所得碳纳米纤维的扫描电镜图如图3所示，可看出所得的碳纳米纤维形状规贝1J，连续均匀，纤维的直径约为120nm ;氮气吸附脱附绝热等温线如图4所示，比表面积为489m2/g，孔径分布主要在1.86nm左右。
[0035]实施例2
[0036]一种多孔碳纳米纤维的制备方法，具体包括以下步骤:
[0037](I)按照质量比1:1:2称取酚醛树脂、聚酰亚胺、聚乙烯吡咯烷酮，加入到二甲基甲酰胺与乙醇混合溶剂中，三种聚合物质量分数分别为10%、10%、20%，磁力搅拌30h，磁力搅拌的速率是800r/min，得到纺丝前驱液；
[0038](2)将纺丝前驱液注入带有喷丝头的注射器，再将注射器固定在推进泵上；设置电压U = 12.5kV，接收器和喷丝头之间的距离L = 14cm，推进速率R = 2mL/h，开始静电纺丝，纺出的纤维被接收器接收，得到纳米纤维；
[0039](3)将纳米纤维，在空气气氛中进行预氧化，预氧化的温度为250°C，预氧化的时间为3h，升温速率为3°C /min，得到预氧化的纳米纤维；
[0040](4)将预氧化的纳米纤维在氮气气氛中进行碳化，碳化的温度为900°C，碳化时间为3h，升温速率为7°C /min，进行碳化后，降温到室温，得到碳纳米纤维(即多孔碳纳米纤维)。
[0041]所得的碳纳米纤维形状规则，连续均匀，纤维的直径约为230nm，比表面积为520m2/g，，孔径分布主要在2.46nm左右。
[0042]实施例3
[0043]一种多孔碳纳米纤维的制备方法，具体包括以下步骤:
[0044](I)按照质量比2:1称取聚苯胺、聚氧乙烯，加入到三氯甲烷中，两种聚合物质量分数分别为4%、2%，磁力搅拌3