[發明專利]碳納米纖維和制造方法

有效

• 申請號: 201980051637.4
• 申請日: 2019-10-20
• 公開（公告）號: CN113015617B
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 森夏恩·霍姆伯格;斯托揚·阿塔納索夫·拉德科夫
• 申請（專利權）人: Cence公司
• 主分類號: B32B3/28
• 分類號: B32B3/28;C01B32/158;C01B32/20;D01D5/00;D01F6/40;D01F9/14
• 代理公司: 北京同立鈞成知識產權代理有限公司 11205
• 代理人: 楊貝貝;臧建明

1.一種產生一種或多種碳納米纖維的方法，所述碳納米纖維包含通過范圍從0.1nm至1nm并定向平行于相應碳納米纖維的軸線的波狀石墨平面所表征的半石墨碳材料，所述半石墨碳材料還通過包含4至10原子百分比的氮雜原子來表征，所述氮雜原子包括等于或大于所述氮雜原子的60％的季氮基和吡啶型氮基的組合百分比，所述方法包括：

制備基于聚丙烯腈(PAN)的前體溶液；

將所述基于PAN的前體溶液提供給噴絲頭；

對所述基于PAN的前體溶液執行電紡絲操作，然后對所述基于PAN的纖維執行熱解以創建所述一種或多種碳納米纖維，其中所述電紡絲操作包括在所述噴絲頭與收集器之間提供交流(AC)電壓的同時以1cm至30cm的距離將所述基于PAN的前體溶液從所述噴絲頭傳遞到所述收集器，所述AC電壓包括范圍從20Hz至100000Hz的頻率以及范圍從100V至30000V的峰-峰(P-P)電壓或范圍從100V至30000V的均方根(RMS)電壓；

對所述一種或多種碳納米纖維執行電紡絲后操作，所述電紡絲后操作包括機械處理和化學處理，其中所述電紡絲后操作的所述機械處理包括熱壓延和/或熱拉伸中的一種或兩種；

對所述一種或多種基于PAN的納米纖維執行穩定化處理，所述穩定化處理包括加熱所述一種或多種基于PAN的納米纖維；以及

在執行所述電紡絲后操作和穩定化處理之后，對所述一種或多種基于PAN的納米纖維執行熱解處理，所述熱解處理包括在含有小于1％的氧的惰性氣氛中加熱所述一種或多種基于PAN的納米纖維。

2.根據權利要求1所述的方法，其中所述電紡絲操作還包括以1cm至30cm之間的距離在所述噴絲頭與所述集電器之間提供直流(DC)電壓，同時將所述基于PAN的前體溶液從所述噴絲頭傳遞到所述集電器，所述電壓范圍從正或負100V至正或負30000V。

3.根據權利要求2所述的方法，其中在含有飽和度大于10％的處于范圍從10℃至100℃的溫度下的所述前體溶液溶劑的蒸氣的氣氛中執行所述電紡絲操作。

4.根據權利要求3所述的方法，其中在最小飽和度為45％的處于范圍從10℃至100℃的溫度下的環境氣氛中執行所述電紡絲操作。

5.根據權利要求1所述的方法，其中所述基于PAN的前體溶液在溶劑中包括按重量計6％至20％的PAN。

6.根據權利要求5所述的方法，其中所述溶劑包括二甲基亞砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、碳酸亞丙酯(PC)中的至少一種以及DMSO、DMF或PC中的任一種或全部的組合，并且其中所述溶劑具有按重計小于5％的水。

7.根據權利要求5所述的方法，其中制備所述基于PAN的前體溶液包括在范圍從25℃至130℃的溫度下經由對流混合操作使所述PAN溶解在所述溶劑中，直到所述PAN完全溶解或持續1小時至1周為止，其中所述PAN具有范圍從100000至500000的分子量。

8.根據權利要求1所述的方法，其中

所述電紡絲后操作的所述化學處理包括將所述一種或多種碳納米纖維浸在5％至30％的過氧化氫溶液中，然后從所述一種或多種碳納米纖維中除去任何剩下的溶劑和/或任何剩下的過氧化氫。

9.根據權利要求8所述的方法，其中

所述熱壓延在范圍從50℃至300℃的溫度和范圍從20kPa至2000kPa的應力下機械地壓縮所述一種或多種基于PAN的納米纖維；并且

所述熱拉伸將所述一種或多種碳納米纖維伸長所述一種或多種基于PAN的納米纖維的原始長度的5％-50％。

10.根據權利要求8所述的方法，其中所述穩定化處理包括在執行所述機械處理的同時在范圍從200℃至300℃的溫度下加熱所述一種或多種基于PAN的納米纖維。