一种超疏水的磁性碳膜及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种超疏水的磁性碳膜，其为表面有球形突起的纳米纤维组成的网状结构，其中纳米纤维的直径为６０～１００纳米，球形突起的直径为２０～３０纳米。该超疏水的磁性碳膜是利用静电纺丝技术和低温碳化技术制备而成。该超疏水的磁性碳膜具有导电性，导电率为０．３１～５．６Ｓ／ｃｍ；其表现为铁磁性，饱和磁化强度为５０．２７～６２．８ｅｍｕ／ｇ，矫顽力为５０．２～１５０．７Ｏｅ；其对水的接触角为１５０．１±３．４°～１５６．５±２．３°，表现出高的超疏水特性。同时可通过调节前驱体中铁盐的含量和碳化温度，控制磁性碳膜中纤维的形貌、和膜的磁性和导电性。该超疏水的磁性碳膜具有超疏水的自清洁作用，可用于防污、防水表面的处理；也可用于传感器、纳米探针、抗静电材料、抗电磁屏蔽、吸波材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能材料领域，具体的说是涉及一种具有超疏水表面的磁性碳膜，以及利用静电纺丝和低温碳化技术，大规模、低成本地制备该超疏水的磁性碳膜的方法，以及该超疏水的磁性碳膜的用途。
技术介绍
自从1991年S.Iijima发现碳纳米材料以来，由于其具有独特的导电性、极高的机械强度、较大的比表面积、较好的催化特性，较强的微波吸收能力引起了人们极大的关注。但是，由于其性能受其结构的影响，限制了其在实际过程中的应用。目前，通常采用填充或包覆有机、无机功能材料的方法，使其具有广泛的应用性。在填充功能材料中，由于磁性纳米材料在磁记录、纳米探针、微波吸收等领域的应用，使得磁性材料填充的碳纳米材料成为研究热点之一。磁性碳纳米材料由于其固有的导电性和磁性，可广泛应用于改进磁带、传感器、纳米探针，吸波材料等领域(J.Jang，H.Yoon，Adv.Mater.2003，15，2088)。目前，已有大量的方法制备磁性碳纳米材料，例如，湿化学法、电弧放电法、催化裂化法、模板法等。但是，上述制备磁性碳纳米材料的方法有的成本高，有的产量低。更重要的是，在自然环境中，现有技术制备的磁性碳纳米材料的导电性和磁性容易遭受雨水破坏，从而影响其正常使用；并且，材料表面很容易受到污染，而对它的处理需要耗费大量的人力和物力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术制备的磁性碳纳米材料的导电性和磁性容易遭受雨水破坏，从而影响其正常使用；且材料表面很容易受到污染，需要耗费大量的人力和物力来处理的缺陷，从而利用具有接触角大于150°的超疏水表面的材料可以防水、抗污染以及防止电流传导等的特性，提供一种不仅具有磁性和导电性，而且具有超疏水性的、不易受污染和雨水破坏的含四氧化三铁的超疏水的磁性碳膜。本专利技术的另一个目的在于提供一种利用静电纺丝技术和低温碳化技术，可大规模、低成本地制备上述超疏水的磁性碳膜的方法。本专利技术的再一目的在于提供上述超疏水的磁性碳膜的用途。本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的本专利技术提供一种超疏水的磁性碳膜，其为表面有球形突起的纳米纤维组成的网状结构，所述的纳米纤维的直径为60～100纳米，所述的球形突起的直径为20～30纳米。本专利技术提供一种上述超疏水的磁性碳膜的制备方法，其利用了静电纺丝技术和低温碳化技术，具体步骤如下1)将聚合物加入到一定量的溶剂中，充分搅拌溶解，制得重量百分比为10～20wt％的聚合物溶液；所述的聚合物为聚乙烯醇(PVA)、聚醋酸乙烯酯(PVAC)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氯乙烯；所述的溶剂为去离子水或/和乙醇，或是选自N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃(THF)中的任意一种或两种的混合溶剂；2)将铁盐加入到步骤1)配制的聚合物溶液中，配制含铁盐重量百分比为30～50wt％的前驱体溶液；所述的铁盐为醋酸亚铁(FeAc2)、乙酰丙酮铁(Fe(Acc)3)、硝酸铁(Fe(NO3)3)；3)将步骤2)制得的前驱体溶液装入现有的纺丝装置的给液装置中，将正电极插入溶液中，负电极连接在接地的接收装置上，调节纺丝工作距离(针尖到接受装置之间的距离)为8～20cm；开启高压电源，调节纺丝电压至10～25kV，前驱体混合溶液在喷射装置的喷丝口处形成Taylor锥，并在喷丝口裂分为喷射细流，伴随着溶剂挥发，在接收装置上得到固化的前驱体复合纳米纤维，其纤维直径为90～200纳米，其中的亚铁盐被大约20～30纳米厚的聚合物所包覆；所述现有的纺丝装置包括高压直流电源、给液装置、喷射装置和接收装置四部分；所使用的高压直流电源的输出电压为0～30kV，给液装置是通过重力给料，喷射装置采用单喷射头喷射，接收装置为形状各异的耐高温导电收集器，例如导电硅片；4)将步骤3)得到的前驱体复合纳米纤维置于管式炉中，在600～1000℃、纯氩气气氛下，恒温加热8小时，碳化得到本专利技术的超疏水的磁性碳膜。本专利技术提供上述超疏水的磁性碳膜的用途1)本专利技术的超疏水的磁性碳膜具有超疏水的自清洁作用，可用于防污、防水表面的处理。2)本专利技术的超疏水的磁性碳膜可用于传感器、纳米探针、抗静电材料、抗电磁屏蔽、吸波材料。3)本专利技术的超疏水的磁性碳膜可以在任何形状的耐高温的基底上形成，并且由纤维的形成的网状结构的膜的厚度可以通过电纺时间控制，以满足不同应用的需要。本专利技术得到的超疏水的磁性碳膜是由表面具有球形突起的纳米纤维组成的网状结构，其中纳米纤维的直径约为60～100纳米，纤维表面的球形突起约为20～30纳米。该碳纤维具有导电性和铁磁性，其对水的接触角为150.1±3.4°～156.5±2.3°，表现出高的超疏水特性。同时通过调节前驱体中铁盐的含量和碳化温度，可以控制磁性碳膜的磁性、导电性和纤维的形貌。此外，该磁性导电纳米纤维形成的网状结构的膜的厚度可以通过纺丝时间来控制，以满足对于不同性质的需要。本专利技术是以粗糙表面的超疏水性为依据，利用静电纺丝技术和低温碳化技术，首次制备了具有超疏水特性的磁性碳膜，其基本原理为将静电场施加在前驱体混合溶液上，逐渐增加电场强度，当电场强度克服溶液的表面张力是，溶液在喷射口形成Taylor锥，当电场强度进一步加大，前驱体溶液在喷射口形成喷射细流，伴随着溶剂的挥发，前驱体纳米纤维形成。由于静电的自诱导作用，形成的前驱体纳米纤维中的大部分的铁盐被大约20～30nm厚的聚合物表面所包覆。将该前驱体纳米纤维置于惰性气氛中进行碳化，得到超疏水的磁性碳膜。由于前驱体纳米纤维中过渡元素一铁的存在，使碳化温度大大降低。在纤维碳化的同时，铁盐被氧化还原得到磁性的四氧化三铁。由于碳化过程中伴随着脱氢、脱氮和芳构化，使得纤维的直径变小。本专利技术的特点在于1)所得到的超疏水的磁性碳膜，是由表面有球形突起的纳米纤维构成的网状结构，纳米纤维的直径约约为60～100纳米，纤维表面球形突起约为20～30纳米。2)所得到的超疏水的磁性碳膜的导电率为0.31～5.6S/cm。3)所得到的超疏水的磁性碳膜表现为铁磁性，饱和磁化强度为50.27～62.8emu/g，矫顽力为50.2～150.7Oe。4)所得到的超疏水的磁性碳膜对水的接触角为150.1±3.4°～156.5±2.3°，呈现出超疏水特性。5)通过改变前驱体溶液中铁盐的含量和碳化温度，可以控制所得的超疏水的磁性碳纳膜的磁性和导电性，以及组成该膜的纤维的形貌。6)该制备方法装置简单，操作方便，成本低，重复性好，可适用于各种超疏水的功能碳膜的大规模制备。7)所得到的超疏水的磁性碳膜适用于任何形状的耐高温基底，且膜的厚度可以通过电纺时间控制。附图说明图1为实施例1制备的前驱体复合膜的透射电子显微镜照片；图2为实施例1制备的超疏水的磁性碳膜的扫描电子显微镜照片；图3为实施例1制备的超疏水的磁性碳膜的透射电子显微镜照片；图4为实施例1制备的超疏水的磁性碳膜的X-射线衍射图；图5为实施例1制备的超疏水的磁性碳膜的Cls的X光电子能谱；图6为实施例1制备的超疏水的磁性碳膜的磁滞回线；图7为水滴在实施例1制备的超疏水的磁性碳膜的表面的静态接触角。具体实施例方式实施例1、1.聚乙烯醇(PVA)加入到去离子水中，充分搅拌溶解，制得重量百分比为10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超疏水的磁性碳膜，其为表面有球形突起的纳米纤维组成的网状结构，所述的纳米纤维的直径为６０～１００纳米，所述的球形突起的直径为２０～３０纳米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱英，张敬畅，郑咏梅，翟锦，江雷，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]