[發(fā)明專利]一種同軸靜電紡絲制備聚丙烯腈基多孔中空碳纖維的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210172307.0
• 申請(qǐng)日: 2012-05-29
• 公開（公告）號(hào): CN102691136A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅紅軍;黃勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中科院廣州化學(xué)有限公司
• 主分類號(hào): D01F9/22
• 分類號(hào): D01F9/22;D01F8/08;D01D5/24;D01D5/00;D01D5/34;B01J32/00;B01J35/10;B01J21/18;B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;C08K7/06
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)纖維材料領(lǐng)域，具體涉及一種PAN基碳纖維的制備方法，特別涉及一種同軸靜電紡絲制備PAN基多孔中空碳纖維的方法。

背景技術(shù)

碳纖維是有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料經(jīng)碳化處理后形成的纖維狀碳材料，碳含量在90%以上，具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、低電阻、高熱導(dǎo)、低熱膨脹和耐輻射等優(yōu)良特性，還具有良好的柔曲性，在宇航工業(yè)、航空工業(yè)、交通運(yùn)輸、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，碳超細(xì)或納米纖維受到了廣泛的關(guān)注，由于碳超細(xì)纖維不僅具有上述碳纖維的優(yōu)良特性，而且其比表面積非常大，碳超細(xì)或納米纖維在催化劑載體、儲(chǔ)氫材料、高效吸附材料，聚合物增強(qiáng)劑等方面有了新的應(yīng)用。

制備碳超細(xì)纖維的方法有氣相沉積法和靜電紡絲法，氣相沉積法比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)效率低，靜電紡絲法是一種有效、簡單的方法，所制備的碳纖維連續(xù)，尺寸分布均勻。

近十年來，同軸靜電紡絲技術(shù)作為傳統(tǒng)靜電紡絲技術(shù)的改進(jìn)，不僅可以制備直徑為幾十個(gè)納米到幾個(gè)微米范圍內(nèi)的超細(xì)纖維，更能擴(kuò)大原材料的選擇范圍，而且這種超細(xì)纖維具有皮芯結(jié)構(gòu)，可得到多功能的纖維。自2003年Sun等人提出同軸靜電紡絲技術(shù)以來，它已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，同軸靜電紡絲納米纖維在光學(xué)，電學(xué)，環(huán)保以及生物應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)外研究學(xué)者報(bào)道了借助于靜電紡絲技術(shù)制備聚丙烯腈基納米纖維，主要集中在三個(gè)方面，一是利用傳統(tǒng)靜電紡絲不加其它添加劑直接制備聚丙烯腈基碳纖維；二是利用共混靜電紡絲技術(shù)紡絲聚丙烯腈與其它添加劑的共混溶液，最終得到聚丙烯腈基多孔碳纖維；三是利用同軸靜電紡絲技術(shù)制備聚丙烯腈基中空碳纖維。

上述三種方法都是利用靜電紡絲原理，首先制備得到PAN基超細(xì)纖維，經(jīng)后期處理，可得到PAN基超細(xì)碳纖維，相對(duì)于常規(guī)碳纖維，這種超細(xì)碳纖維的比表面積成千倍增加。然而，傳統(tǒng)靜電紡絲方法只能得到密實(shí)的碳纖維，該碳纖維在用于儲(chǔ)氫材料時(shí)，氫氣只能存在于纖維間形成的空隙中；共混靜電紡絲方法能夠得到多孔的碳纖維，碳纖維的比表面積進(jìn)一步增大，孔的大小和分布隨著添加劑的變化而變化，但是，這種碳纖維本身尺寸非常細(xì)，因此孔徑不會(huì)太大，一般低于50納米，碳纖維的比表面積增加有限；同軸靜電紡絲方法可以得到中空的碳纖維，在碳纖維內(nèi)部存在中空結(jié)構(gòu)，這不僅提高了碳纖維的比表面積，也可以提高碳纖維使用的穩(wěn)定性，如用于儲(chǔ)氫材料，氫氣可以進(jìn)入碳纖維的內(nèi)部，提高了儲(chǔ)氫的穩(wěn)定性，但是，由于這種中空碳纖維是一種連續(xù)的纖維，在儲(chǔ)氫或用于增強(qiáng)劑時(shí)往往需要較長的時(shí)間達(dá)到碳纖維較高的使用效率。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種同軸靜電紡絲制備PAN基多孔中空碳纖維的方法。

本發(fā)明的另一目的在于提供由上述方法制備得到的PAN基多孔中空碳纖維，該碳纖維同時(shí)具有多孔、中空結(jié)構(gòu)，比表面積大，材料使用效率高。

本發(fā)明的目的在于提供上述的PAN基多孔中空碳纖維的用途。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種同軸靜電紡絲制備PAN基多孔中空碳纖維的方法，包括以下步驟：

（1）將聚丙烯腈與添加物混合，加入溶劑，攪拌均勻，為外層溶液；將內(nèi)層聚合物攪拌均勻，為內(nèi)層溶液；

（2）將外層溶液和內(nèi)層溶液以恒定的流速和流速比分別輸入到同軸針頭的外層和內(nèi)層，同時(shí)將同軸針頭連接高壓靜電發(fā)生器進(jìn)行靜電紡絲，紡出的纖維用接收裝置接收，得到PAN基皮芯復(fù)合纖維；

（3）將PAN基皮芯復(fù)合纖維置于溶劑中洗滌，以除去復(fù)合纖維皮層中的添加物和芯層中的雜質(zhì)，得到PAN多孔中空納米纖維；

（4）在空氣或氧氣中，將PAN多孔中空納米纖維升溫至200-300℃，預(yù)氧化1h，然后自然冷卻至室溫，得到預(yù)氧化的PAN多孔中空納米纖維；

（5）在氮?dú)庵?，將預(yù)氧化的PAN多孔中空納米纖維升溫至700-1200℃，保持1-2h，然后自然冷卻至室溫，得到PAN基多孔中空碳纖維；

步驟（1）所述攪拌的轉(zhuǎn)速為15-100rpm；

步驟（1）所述的添加物為聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或醋酸纖維素中的一種以上；

步驟（1）中，PAN與添加物的質(zhì)量比為(1-9):1，外層溶液中PAN和添加物的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-40%；

步驟（1）中，外層溶液中的溶劑為二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或二甲基亞砜中的一種以上；