【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶及其制备方法，属于纳米材料。
技术介绍
1、碳气凝胶具有三维网络多孔结构，表现出孔隙率高、比表面积大、密度低、电导率高、热导率低等优异性能，同时具有化学惰性和选择性吸附性，使其成为能源存储、电磁屏蔽、电催化、高温隔热、分离过滤等领域的理想材料。传统碳气凝胶由纳米级颗粒相互连接的三维网络组成，但颗粒间缺乏有效连接结构，因此材料表现出明显的脆性，难以单独使用。引入晶须、纤维等增强/增韧组分可以提高颗粒气凝胶的力学强度，但复合材料仍存在粉体易脱落、形变能力差的问题，严重影响其在使用过程中的安全可靠性。近年来，基于精细微观结构设计的弹性碳气凝胶得到广泛研究，以碳纳米管和石墨烯为构筑基元，开发出一系列自支撑的碳气凝胶，使其内部结构由脆弱的颗粒连接转变为连续的自组装网络或面-面堆积结构，赋予材料一定的压缩回弹性。但这种结构中包含大量的固定连接点或不可拉伸的片层结构，即使在很小的拉伸应变下，也会发生瞬态结构破坏或失效，限制了其实际应用前景。以长径比高、连续性好的柔性纳米纤维为构筑基元，可以在气凝胶内部形成相互缠绕和可相对滑移的连接结构，有望解决碳气凝胶拉伸性能差的瓶颈问题。
2、碳纳米纤维气凝胶的常用制备方法有生物质碳化法、冷冻干燥法等。公开号为cn201410227565.3的中国专利技术专利申请了一种利用细菌纤维素制备碳纳米纤维气凝胶吸油材料的方法，将培养的细菌纤维素制备成水凝胶，经干燥后获得细菌纤维素气凝胶，再通过氩气氛围下的热裂解得到碳纳米纤维气凝胶。公开号为cn2022
3、因此需要开发一种简单易行、工艺连续的方法来制备具有优异拉伸性能的碳纳米纤维气凝胶，以满足各领域的应用需求。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶及其制备方法。
2、本专利技术通过调节含水量控制静电纺丝前后的纺丝液相分离程度，首先选取不溶于水的聚合物，以及与水互溶的溶剂，通过添加含水量调节剂使纺丝液从均相共存的稳定态转变为亚稳态极限阶段，再调控纺丝环境温湿度，使环境中的高水汽含量与纺丝液的低含水量形成湿度梯度，纺丝过程中水汽进入射流后其含水量超过临界值，纺丝液瞬间突破均相共存的亚稳态极限阶段进入非稳态，溶剂与聚合物自发相分离，保证了射流快速并提前固化，使射流能够在纺丝区域飞行时经过充分的鞭动牵伸，同时保留其剧烈鞭动过程中的类弹簧螺旋卷曲形态，形成可伸长和扭转变形的类弹簧螺旋卷曲纤维，多股螺旋卷曲纤维沿长度方向连续相互扭绞，形成可拉伸的互锁网络连接结构，从而获得了扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶前驱体，最后通过预氧化和碳化得到最终产品。本专利技术解决了碳纳米纤维气凝胶拉伸性不足的问题；并且本专利技术的制备方法简单易行、工艺连续，可以在现有静电纺丝生产设备上进行。
3、为了解决上述问题，本专利技术的通过以下技术方案来实现：
4、本专利技术提供了一种扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶，所述碳纳米纤维气凝胶以可伸长和扭转变形的类弹簧螺旋卷曲纤维为构筑基元，由多股螺旋卷曲纤维沿长度方向连续相互扭绞，形成可拉伸的互锁网络连接结构。
5、优选地，所述碳纳米纤维气凝胶由长径比≥1000，直径为50～1000nm的螺旋卷曲纤维构成，螺旋卷曲纤维卷曲率为10～40％，扭绞互锁结构密度为100～1000个/cm3。
6、优选地，所述碳纳米纤维气凝胶的孔径为1～5μm，体积密度为5～100mg/cm3，厚度为2～50mm。
7、优选地，所述碳纳米纤维气凝胶拉伸模量为2～20kpa，拉伸断裂强度为10～50kpa，拉伸至自身长度的50～150％时能完全回复，50％应变下1000次加载-卸载拉伸循环后塑性形变≤10％，-100℃到500℃范围内可循环拉伸10～1000次而不发生断裂。
8、本专利技术还提供了一种上述扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
9、步骤1)：将聚合物溶于溶剂中，经过加热搅拌后制备出均相共存的稳定态聚合物基液；
10、步骤2)：将含水量调节剂加入步骤1)得到的聚合物基液中，经过加热搅拌制备出均相共存的亚稳态极限阶段纺丝液；
11、步骤3)：将步骤2)中得到的纺丝液进行静电纺丝，纺丝环境中的水汽扩散到静电纺丝射流内部，溶剂与聚合物自发相分离，射流快速并提前固化，形成螺旋卷曲纤维并扭绞互锁成碳纳米纤维气凝胶前驱体；
12、步骤4)：将步骤3)中得到的碳纳米纤维气凝胶前驱体置于烘箱中预氧化，制备出预氧化后的碳纳米纤维气凝胶前驱体；
13、步骤5)：将步骤4)中预氧化的碳纳米纤维气凝胶前驱体置于真空管式炉中碳化，制备出具有扭绞互锁结构的可拉伸碳纳米纤维气凝胶。
14、优选地，步骤1)中，所述聚合物包括聚丙烯腈、聚乙烯醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、沥青、聚苯乙烯、聚乙烯中的任意一种或多种；所述溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、丙酮、四氢呋喃、n-甲基吡咯烷酮、甲醇中的任意一种或多种；所述聚合物基液的质量分数为5～20％；所述加热搅拌的温度为40～90℃，所述搅拌速率为120～1000rpm，搅拌时间为2～10h。
15、优选地，步骤2)中，所述含水量调节剂为水合物，包括二水合氯化钡、五水合硫酸铜、六水合氯化铝、六水合三氯化铬、七水合硫酸亚铁、七水合硫酸锌、十二水合硫酸铝钾中的任意一种或多种；所述含水量调节剂的加入量为纺丝液质量的1～10％；所述加热搅拌的温度为40～90℃，搅拌速率为120～1000rpm，搅拌时间为2～10h。
16、优选地，步骤3)中，所述静电纺丝环境温度为20～35℃，环境湿度为30～60％；所述静电纺丝的工艺参数为：电压10～100kv，接收距离10～50cm，灌注速度1～100ml/h。
17、优选地，步骤4)中，所述预氧化的温度为180～300℃，保温时间为60～120min。
18、优选地，步骤5)中，所述真空管式炉内的高温碳化气氛为氮气或氩气，以1～10℃/min的升温速率升温至高温400～1300℃，高温下保持时间为60～120min。
19、本专利技术的原理如下：
20、本专利技术通过调控聚合物、溶剂、含水量调节剂的种类本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述碳纳米纤维气凝胶以可伸长和扭转变形的类弹簧螺旋卷曲纤维为构筑基元，由多股螺旋卷曲纤维沿长度方向连续相互扭绞，形成可拉伸的互锁网络连接结构。
2.根据权利要求1所述的扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述碳纳米纤维气凝胶由长径比≥1000，直径为50～1000nm的螺旋卷曲纤维构成，螺旋卷曲纤维卷曲率为10～40％，扭绞互锁结构密度为100～1000个/cm3。
3.根据权利要求1所述的扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述碳纳米纤维气凝胶的孔径为1～5μm，体积密度为5～100mg/cm3，厚度为2～50mm。
4.根据权利要求1所述的扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述碳纳米纤维气凝胶拉伸模量为2～20kPa，拉伸断裂强度为10～50kPa，拉伸至自身长度的50～150％时能完全回复，50％应变下1000次加载-卸载拉伸循环后塑性形变≤10％，-100℃到500℃范围内可循环拉伸10～1000次而不发生断裂。
5.权利要求1-4
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述聚合物包括聚丙烯腈、聚乙烯醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、沥青、聚苯乙烯、聚乙烯中的任意一种或多种；所述溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、丙酮、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、甲醇中的任意一种或多种；所述聚合物基液的质量分数为5～20％；所述加热搅拌的温度为40～90℃，所述搅拌速率为120～1000rpm，搅拌时间为2～10h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述含水量调节剂为水合物，包括二水合氯化钡、五水合硫酸铜、六水合氯化铝、六水合三氯化铬、七水合硫酸亚铁、七水合硫酸锌、十二水合硫酸铝钾中的任意一种或多种；所述含水量调节剂的加入量为纺丝液质量的1～10％；所述加热搅拌的温度为40～90℃，搅拌速率为120～1000rpm，搅拌时间为2～10h。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述静电纺丝环境温度为20～35℃，环境湿度为30～60％；所述静电纺丝的工艺参数为：电压10～100kV，接收距离10～50cm，灌注速度1～100mL/h。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述预氧化的温度为180～300℃，保温时间为60～120min。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述真空管式炉内的高温碳化气氛为氮气或氩气，以1～10℃/min的升温速率升温至高温400～1300℃，高温下保持时间为60～120min。
...【技术特征摘要】
1.一种扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述碳纳米纤维气凝胶以可伸长和扭转变形的类弹簧螺旋卷曲纤维为构筑基元，由多股螺旋卷曲纤维沿长度方向连续相互扭绞，形成可拉伸的互锁网络连接结构。
2.根据权利要求1所述的扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述碳纳米纤维气凝胶由长径比≥1000，直径为50～1000nm的螺旋卷曲纤维构成，螺旋卷曲纤维卷曲率为10～40％，扭绞互锁结构密度为100～1000个/cm3。
3.根据权利要求1所述的扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述碳纳米纤维气凝胶的孔径为1～5μm，体积密度为5～100mg/cm3，厚度为2～50mm。
4.根据权利要求1所述的扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述碳纳米纤维气凝胶拉伸模量为2～20kpa，拉伸断裂强度为10～50kpa，拉伸至自身长度的50～150％时能完全回复，50％应变下1000次加载-卸载拉伸循环后塑性形变≤10％，-100℃到500℃范围内可循环拉伸10～1000次而不发生断裂。
5.权利要求1-4任一项所述的扭绞互锁结构可拉伸碳纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述聚合物包括聚丙烯腈、聚乙烯醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、沥青、聚...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘一涛，胡紫婷，李德燕，常新宜，丁彬，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：
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