[發明專利]可調控碳纖維材料孔徑及孔隙率的制備方法及碳纖維材料

有效

• 申請號: 201610128538.X
• 申請日: 2016-03-07
• 公開（公告）號: CN105696114B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 倪偉;王斌;楊丹;程建麗;李小東
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院化工材料研究所;四川省新材料研究中心
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F6/54;D01F1/02;D01F11/12;D01D5/00
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務所51213
• 代理人: 李靜云

技術領域

本發明屬于多孔碳材料制備領域，具體涉及一種可調控碳纖維材料孔徑及孔隙率的制備方法及碳纖維材料。

背景技術

電紡是利用高壓靜電場作用于高分子聚合物溶液或熔融液體，從而獲得納米量級(50～500nm)聚合物納米纖維絲的方法。該方法源于美國人Formhals的專利(US 1975504,1934)。傳統的紡絲技術(如干紡、濕紡、熔體紡絲等)生產的纖維直徑在幾十到幾百微米的范圍內；而其他的幾種聚合物納米纖維的制備方法，如模板合成法(Feng L,Li S,Li H,et al.Angew Chem Int Ed,2002,41:1221～1223)、相分離法(Ma P X,Zhang R.J Biomed Mat Res,1999,46:60～72)、自組裝法(Whitesides G M,Grzybowski B,Sicence,2002,295:2418～2421)也因制備工藝復雜、工程消耗時間長等缺點在實際應用中受限。與上述幾種方法相比，電紡法制備高聚物納米纖維具有設備簡單、操作簡單、生產效率高等優點；此外電紡是目前唯一一種可以制備連續的聚合物納米纖維的方法。

目前很多結構的碳材料被制備出來，比如碳納米球、碳納米空心球、碳納米洋蔥、碳籠、碳納米管、碳納米纖維、碳納米棒及其他多孔碳材料。碳材料的結構多種多樣，表面性能也各不相同，這使得碳材料的應用范圍相當廣泛，尤其是以多孔碳材料為代表。多孔碳材料不僅具有穩定性好、耐高溫、耐酸堿、導電性好、吸附能力好等優良性能，還具有比表面積高、孔道結構豐富、孔徑可調等特點，能作為電極材料應用于電池、超級電容器，也可以作氣體分離或者存儲的吸附劑，還可以在很多重要催化過程中用作催化劑載體，而用雜原子修飾的多孔碳材料本身就可以在許多反應中直接用作催化劑等。

其中納米碳纖維作為一種新型的碳材料，有著優異的物理、力學性能和化學穩定性，高的機械強度和楊氏模量，可以與石墨相媲美的較好導電、導熱和穩定性。傳統制備納米碳纖維的方法主要有基體法、噴淋法和氣相生長法。其中氣相生長法最為常見，但是采用該法制得的納米碳纖維表現出很多缺點：(1)纖維長度太小，不能制備連續纖維；(2)由于必須應用催化劑，所獲得的纖維制品含有大量的金屬雜質，需要復雜的提純工藝；(3)設備成本高不利于工業生產。而電紡法制備的納米原纖維經固定化、碳化后可以得到超長連續以及高純的納米碳纖維，其設備、工藝簡單，成本低廉，易于批量生產，是制備連續納米碳纖維的唯一方法。

在多孔碳材料特別是一維大孔碳材料的研究領域中仍然有許多未知和不足需要我們探索和解決。開發簡單、經濟、快速生產高質量多孔碳材料的方法，并不斷推進多孔碳材料在電化學領域的應用仍有大量的工作需要我們去做，在這個過程中充滿了機遇和挑戰。

發明內容

本發明的目的是提供一種可調控碳纖維材料孔徑及孔隙率的制備方法及碳纖維材料。

為了達到上述的技術效果，本發明采取以下技術方案：

一種可調控碳纖維材料孔徑及孔隙率的制備方法，包括以下步驟：

采用靜電紡絲技術制備SiO₂-聚丙烯腈纖維；將SiO₂-聚丙烯腈纖維浸泡于氫氟酸溶液中將SiO₂-聚丙烯腈纖維中的SiO₂除去，接著用無水乙醇和去離子水清洗；然后在空氣氣氛下于溫度150～400℃下預氧化1～6h，隨后在惰性氣體氣氛下于溫度600～1500℃下碳化0.5～8h，冷卻后即得到所述的碳纖維材料；

或，采用靜電紡絲技術制備SiO₂-聚丙烯腈纖維；然后在空氣氣氛下于溫度150～400℃下預氧化1～6h，隨后在惰性氣體氣氛下于溫度600～1500℃下碳化0.5～8h；接著將碳化后的材料浸泡于氫氟酸溶液中將SiO₂除去，接著用無水乙醇和去離子水清洗，干燥后即得到所述的碳纖維材料；

所述的采用靜電紡絲技術制備SiO₂-聚丙烯腈纖維的步驟如下：聚丙烯腈與SiO₂微球溶于溶劑中磁力攪拌3～8h后，采用靜電紡絲技術制備得到含有0.5～35wt％、直徑為10～500nm的SiO₂微球的SiO₂-聚丙烯腈纖維。

進一步的技術方案是，所述的氫氟酸溶液的質量分數為5～20wt％。

進一步的技術方案是，所述的惰性氣體為氮氣或氬氣。