[發明專利]大比表面積高強度柔性靜電紡絲炭纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 201910632052.3
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN110205710B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 張蘇;趙晶;王魯香;朱家瑤;范壯軍;賈殿贈
• 申請（專利權）人: 新疆大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01D5/00
• 代理公司: 烏魯木齊合縱專利商標事務所 65105
• 代理人: 湯建武;周星瑩

本發明涉及靜電紡絲技術領域，是一種大比表面積高強度柔性靜電紡絲炭纖維及其制備方法，前者按照下述方法得到：將炭量子點與聚丙烯腈混合，得到紡絲液，將紡絲液進行靜電紡絲，得到纖維，將纖維預氧化后進行炭化，向得到的炭纖維中加入氫氧化鉀并活化，得到活化纖維，用鹽酸中和除去活化纖維中多余的氫氧化鉀和無機鹽離子后，清洗、自然風干得到大比表面積高強度柔性靜電紡絲炭纖維。本發明由于炭量子點表面豐富的含氧官能團，使其能均勻地分散在在聚丙烯腈基底中，得到的炭纖維經過活化造孔后仍然保持原有的納米結構和高機械強度、高柔性的特點，并且獲得巨大的比表面積。本發明工藝簡單，成本低，適合大工業化生產。

技術領域

本發明涉及靜電紡絲技術領域，是一種大比表面積高強度柔性靜電紡絲炭纖維及其制備方法。

背景技術

靜電紡絲是一種新型的非紡織成絲技術，以裝置簡單、成本低廉、可紡物質種類繁多、工藝可控等特點，成為制備納米纖維材料的主要途徑之一。其中，具有大比表面積的靜電紡絲炭纖維在電化學儲能、高效催化、生物組織工程等多個領域具有出色的應用前景。但是，電紡炭纖維本身質硬而脆，而且隨著豐富孔道結構的引入，炭纖維的的機械性能和柔性進一步大幅度下降，從而限制了多孔炭纖維的應用性能和范圍，因此，開發具有良好機械性能和柔性的多孔電紡炭纖維仍是目前該領域亟待解決的熱點問題。為解決炭纖維織物機械性能不足的問題，前人工作主要集中于在炭纖維中原位引入具有較高長徑比的納米增強劑（如碳納米管、石墨烯等）。然而該類增強劑尺寸較大，不易大量添加，且與基底的相溶性不佳使其在纖維中分布不均勻，不能達到整體增強的效果。另外，大部分增強的炭纖維缺少豐富的孔道結構，不能很好的滿足電化學儲能、吸附材料、催化劑載體等領域應用的需要。

發明內容

本發明提供了一種大比表面積高強度柔性靜電紡絲炭纖維及其制備方法，克服了上述現有技術之不足，其能有效解決大比表面積的靜電紡絲炭纖維柔性差和機械性能不足這一問題。并且還可以將這種大比表面積高柔性的炭纖維應用于自支撐的超級電容器和吸附等領域。

本發明的技術方案之一是通過以下措施來實現的：一種大比表面積高強度柔性靜電紡絲炭纖維及其制備方法，按照下述方法制備得到：第一步，將聚丙烯腈溶于N-N,二甲基甲酰胺中配制質量百分濃度為5%至10%的紡絲液，再將具有含氧官能團、小尺寸的炭量子點與聚丙烯腈按照1：0.1至2的比例加入紡絲液中，通過超聲和攪拌使其完全分散；第二步，將紡絲液在紡絲溫度為10℃至70℃的條件下進行靜電紡絲得到纖維；第三步，將纖維在溫度為180℃至300℃的條件下進行預氧化0.5h至10h，得到預氧化纖維；第四步，將預氧化纖維在氮氣中升溫至溫度為500℃至1500℃，進行炭化1h至5h，得到炭纖維；第五步，向炭纖維中加入所需量的氫氧化鉀并在氮氣中升溫至溫度為500℃至1000℃，進行活化1h至5h，得到活化炭纖維，其中，炭纖維與氫氧化鉀的加入質量比為1:0.1至10；第六步，用鹽酸中和除去活化炭纖維中多余的氫氧化鉀和無機鹽離子后，用蒸餾水清洗活化炭纖維至清洗液為中性，自然風干得到大比表面積高強度柔性靜電紡絲炭纖維。

本發明的技術方案之二是通過以下措施來實現的：一種大比表面積高強度柔性靜電紡絲炭纖維的制備方法，按照下述步驟進行：第一步，將聚丙烯腈溶于N-N,二甲基甲酰胺中配制質量百分濃度為5%至10%的紡絲液，再將具有含氧官能團、小尺寸的炭量子點與聚丙烯腈按照1：0.1至2的比例加入紡絲液中，通過超聲和攪拌使其完全分散；第二步，將紡絲液在紡絲溫度為10℃至70℃的條件下進行靜電紡絲得到纖維；第三步，將纖維在溫度為180℃至300℃的條件下進行預氧化0.5h至10h，得到預氧化纖維；第四步，將預氧化纖維在氮氣中升溫至溫度為500℃至1500℃，進行炭化1h至5h，得到炭纖維；第五步，向炭纖維中加入所需量的氫氧化鉀并在氮氣中升溫至溫度為500℃至1000℃，進行活化1h至5h，得到活化炭纖維，其中，炭纖維與氫氧化鉀的加入質量比為1:0.1至10；第六步，用鹽酸中和除去活化炭纖維中多余的氫氧化鉀和無機鹽離子后，用蒸餾水清洗活化炭纖維至清洗液為中性，自然風干得到大比表面積高強度柔性靜電紡絲炭纖維。