可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法及碳纤维材料技术

本发明专利技术公开了一种可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法及碳纤维材料，该制备方法包括以下步骤：采用静电纺丝技术制备SiO2-聚丙烯腈纤维；将SiO2-聚丙烯腈纤维浸泡于氢氟酸溶液中将SiO2-聚丙烯腈纤维中的SiO2除去，接着用无水乙醇和去离子水清洗；然后在空气气氛下于温度150～400℃下预氧化1～6h，随后在惰性气体气氛下于温度600～1500℃下碳化0.5～8h，冷却后即得到所述的碳纤维材料。本发明专利技术的制备方法通过调节SiO2微球的粒径及质量分数，从而获得调控碳纤维材料的孔径大小和孔隙率；制备方法简单，操作方法易行。

Method for preparing adjustable carbon fiber material pore diameter and porosity and carbon fiber material

The invention discloses an adjustable aperture carbon fiber material and porosity and the preparation method of carbon fiber material, the preparation method comprises the following steps: preparing SiO2- polyacrylonitrile fiber by electrospinning; SiO2 SiO2- polyacrylonitrile fiber soaked in hydrofluoric acid solution, the removal of SiO2- polyacrylonitrile fiber, followed by ethanol and deionized water water cleaning; then in the atmosphere at the temperature of 400 DEG C to 150 pre oxidation of 1 ~ 6h, then under inert gas atmosphere at the temperature of 600 DEG to 1500 DEG C carbide 0.5 ~ 8h, carbon fiber material after cooling to obtain the. The preparation method of the invention can adjust the size and the porosity of the carbon fiber material by adjusting the particle size and the mass fraction of the SiO2 microsphere, the preparation method is simple, and the operation method is easy.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于多孔碳材料制备领域，具体涉及一种可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法及碳纤维材料。
技术介绍
电纺是利用高压静电场作用于高分子聚合物溶液或熔融液体，从而获得纳米量级(50～500nm)聚合物纳米纤维丝的方法。该方法源于美国人Formhals的专利(US1975504,1934)。传统的纺丝技术(如干纺、湿纺、熔体纺丝等)生产的纤维直径在几十到几百微米的范围内；而其他的几种聚合物纳米纤维的制备方法，如模板合成法(FengL,LiS,LiH,etal.AngewChemIntEd,2002,41:1221～1223)、相分离法(MaPX,ZhangR.JBiomedMatRes,1999,46:60～72)、自组装法(WhitesidesGM,GrzybowskiB,Sicence,2002,295:2418～2421)也因制备工艺复杂、工程消耗时间长等缺点在实际应用中受限。与上述几种方法相比，电纺法制备高聚物纳米纤维具有设备简单、操作简单、生产效率高等优点；此外电纺是目前唯一一种可以制备连续的聚合物纳米纤维的方法。目前很多结构的碳材料被制备出来，比如碳纳米球、碳纳米空心球、碳纳米洋葱、碳笼、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米棒及其他多孔碳材料。碳材料的结构多种多样，表面性能也各不相同，这使得碳材料的应用范围相当广泛，尤其是以多孔碳材料为代表。多孔碳材料不仅具有稳定性好、耐高温、耐酸碱、导电性好、吸附能力好等优良性能，还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点，能作为电极材料应用于电池、超级电容器，也可以作气体分离或者存储的吸附剂，还可以在很多重要催化过程中用作催化剂载体，而用杂原子修饰的多孔碳材料本身就可以在许多反应中直接用作催化剂等。其中纳米碳纤维作为一种新型的碳材料，有着优异的物理、力学性能和化学稳定性，高的机械强度和杨氏模量，可以与石墨相媲美的较好导电、导热和稳定性。传统制备纳米碳纤维的方法主要有基体法、喷淋法和气相生长法。其中气相生长法最为常见，但是采用该法制得的纳米碳纤维表现出很多缺点：(1)纤维长度太小，不能制备连续纤维；(2)由于必须应用催化剂，所获得的纤维制品含有大量的金属杂质，需要复杂的提纯工艺；(3)设备成本高不利于工业生产。而电纺法制备的纳米原纤维经固定化、碳化后可以得到超长连续以及高纯的纳米碳纤维，其设备、工艺简单，成本低廉，易于批量生产，是制备连续纳米碳纤维的唯一方法。在多孔碳材料特别是一维大孔碳材料的研究领域中仍然有许多未知和不足需要我们探索和解决。开发简单、经济、快速生产高质量多孔碳材料的方法，并不断推进多孔碳材料在电化学领域的应用仍有大量的工作需要我们去做，在这个过程中充满了机遇和挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法及碳纤维材料。为了达到上述的技术效果，本专利技术采取以下技术方案：一种可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法，包括以下步骤：采用静电纺丝技术制备SiO2-聚丙烯腈纤维；将SiO2-聚丙烯腈纤维浸泡于氢氟酸溶液中将SiO2-聚丙烯腈纤维中的SiO2除去，接着用无水乙醇和去离子水清洗；然后在空气气氛下于温度150～400℃下预氧化1～6h，随后在惰性气体气氛下于温度600～1500℃下碳化0.5～8h，冷却后即得到所述的碳纤维材料；或，采用静电纺丝技术制备SiO2-聚丙烯腈纤维；然后在空气气氛下于温度150～400℃下预氧化1～6h，随后在惰性气体气氛下于温度600～1500℃下碳化0.5～8h；接着将碳化后的材料浸泡于氢氟酸溶液中将SiO2除去，接着用无水乙醇和去离子水清洗，干燥后即得到所述的碳纤维材料；所述的采用静电纺丝技术制备SiO2-聚丙烯腈纤维的步骤如下：聚丙烯腈与SiO2微球溶于溶剂中磁力搅拌3～8h后，采用静电纺丝技术制备得到含有0.5～35wt％、直径为10～500nm的SiO2微球的SiO2-聚丙烯腈纤维。进一步的技术方案是，所述的氢氟酸溶液的质量分数为5～20wt％。进一步的技术方案是，所述的惰性气体为氮气或氩气。进一步的技术方案是，所述的溶剂选自二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺，二甲基亚砜，碳酸乙烯酯，甲基吡咯烷酮中的一种。进一步的技术方案是，所述的静电纺丝的工艺参数如下：电压5～25kV，推送速度为0.1～4mL/h，针尖距接收器的距离为5～25cm，接收器为铜箔。进一步的技术方案是，所述的预氧化为以0.5～25℃/min的升温速率升温至150～400℃，然后在该温度下保温1～6h。进一步的技术方案是，所述的碳化为以1～20℃/min的升温速率升温至600～1500℃，然后在该温度下保温0.5～8h。进一步的技术方案是，所述的聚丙烯腈与SiO2微球溶于溶剂选自以下两种方式中的一种：聚丙烯腈与SiO2微球直接加入溶剂中；或将聚丙烯腈与SiO2微球分别加入溶剂中得到聚丙烯腈溶液和SiO2微球悬浮液，然后将聚丙烯腈溶液和SiO2微球悬浮液混合。进一步的技术方案是，所述的聚丙烯腈分子量为10000～500000。本专利技术还提供了采用所述的可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法制得的碳纤维材料，所述的碳纤维材料的直径为50～500nm，孔径为10～400nm。下面对本专利技术作进一步的说明。本专利技术中通过调节SiO2微球的粒径和质量分数进而调控碳材料的孔径和孔隙率，具体是将SiO2微球与聚丙烯腈采用静电纺丝技术制备SiO2-聚丙烯腈纤维。与纯聚丙烯腈碳化纤维相比，本专利技术可以有效控制纤维的大孔(孔径≥50nm)孔径及孔隙率。SiO2-聚丙烯腈纤维的制备中，SiO2微球与聚丙烯腈溶于溶剂中制得聚合物溶液，再通过静电纺丝工艺获得，其中SiO2微球与聚丙烯腈溶于溶剂中制得聚合物溶液的方式有多种，本专利技术的实施方案提供了以下两种方式：第一，将SiO2微球与聚丙烯腈同时加入到溶剂中搅拌；第二，将SiO2微球与聚丙烯腈分别加入到溶剂中，分别制得SiO2微球悬浮液和聚丙烯腈溶液，然后将SiO2微球悬浮液和聚丙烯腈溶液混合搅拌。溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺，二甲基亚砜，碳酸乙烯酯，甲基吡咯烷酮中的一种，根据本专利技术的优选实施例，所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、甲基吡咯烷酮。在本专利技术的实施方案中，SiO2微球的粒径为10～400nm，其目的是该粒径范围与聚丙烯腈纤维的直径范围匹配，得到的微孔不会过小也不会太大将纤维截断。SiO2-聚丙烯腈纤维中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法，其特征在于包括以下步骤：采用静电纺丝技术制备SiO2‑聚丙烯腈纤维；将SiO2‑聚丙烯腈纤维浸泡于氢氟酸溶液中将SiO2‑聚丙烯腈纤维中的SiO2除去，接着用无水乙醇和去离子水清洗；然后在空气气氛下于温度150～400℃下预氧化1～6h，随后在惰性气体气氛下于温度600～1500℃下碳化0.5～8h，冷却后即得到所述的碳纤维材料；或，采用静电纺丝技术制备SiO2‑聚丙烯腈纤维；然后在空气气氛下于温度150～400℃下预氧化1～6h，随后在惰性气体气氛下于温度600～1500℃下碳化0.5～8h；接着将碳化后的材料浸泡于氢氟酸溶液中将SiO2除去，接着用无水乙醇和去离子水清洗，干燥后即得到所述的碳纤维材料；所述的采用静电纺丝技术制备SiO2‑聚丙烯腈纤维的步骤如下：聚丙烯腈与SiO2微球溶于溶剂中磁力搅拌3～8h后，采用静电纺丝技术制备得到含有0.5～35％、直径为10～400nm的SiO2微球的SiO2‑聚丙烯腈纤维。

【技术特征摘要】
1.一种可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法，其特征在于包括以下步
骤：
采用静电纺丝技术制备SiO2-聚丙烯腈纤维；将SiO2-聚丙烯腈纤维浸泡于
氢氟酸溶液中将SiO2-聚丙烯腈纤维中的SiO2除去，接着用无水乙醇和去离
子水清洗；然后在空气气氛下于温度150～400℃下预氧化1～6h，随后在
惰性气体气氛下于温度600～1500℃下碳化0.5～8h，冷却后即得到所述的
碳纤维材料；
或，采用静电纺丝技术制备SiO2-聚丙烯腈纤维；然后在空气气氛下于温度
150～400℃下预氧化1～6h，随后在惰性气体气氛下于温度600～1500℃下
碳化0.5～8h；接着将碳化后的材料浸泡于氢氟酸溶液中将SiO2除去，接
着用无水乙醇和去离子水清洗，干燥后即得到所述的碳纤维材料；
所述的采用静电纺丝技术制备SiO2-聚丙烯腈纤维的步骤如下：聚丙烯腈与
SiO2微球溶于溶剂中磁力搅拌3～8h后，采用静电纺丝技术制备得到含有
0.5～35％、直径为10～400nm的SiO2微球的SiO2-聚丙烯腈纤维。
2.根据权利要求1所述的可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法，其特
征在于所述的氢氟酸溶液的质量分数为5～20％。
3.根据权利要求1所述的可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法，其特
征在于所述的惰性气体为氮气或氩气。
4.根据权利要求1所述的可调控碳纤维材料孔径及孔隙率的制备方法，其特
征在于所述的溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺，二甲基乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪伟，王斌，杨丹，程建丽，李小东，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，四川省新材料研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51