[發(fā)明專利]一種由功能碳前驅(qū)體衍生的自支撐生物質(zhì)靜電紡碳納米纖維膜的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110605839.8
• 申請(qǐng)日: 2021-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN113373551A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃超伯;張小麗;王俞林;曲清莉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): D01F9/16
• 分類號(hào): D01F9/16;D01F9/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種由功能碳前驅(qū)體衍生的自支撐生物質(zhì)靜電紡碳納米纖維膜的新方法。采取共混紡絲法制取了氮摻雜的醋酸纖維素?大豆分離蛋白?碳納米纖維復(fù)合納米纖維膜。探索了醋酸纖維素和大豆分離蛋白比例的改變會(huì)對(duì)復(fù)合纖維的形態(tài)、結(jié)晶和物化性質(zhì)等的影響。在隨后的熱解反應(yīng)里，摸索了碳化溫度對(duì)復(fù)合碳納米纖維膜結(jié)構(gòu)演化和電化學(xué)特性的影響。結(jié)果表明，制備的納米纖維膜擁有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、豐富的孔隙分布、快速的電子傳遞能力和表面豐富的官能團(tuán)。這種簡(jiǎn)便、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的方法將為大豆分離蛋白納米纖維的制備和應(yīng)用提供廣闊的前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及靜電紡絲領(lǐng)域，涉及具有優(yōu)良電化學(xué)性能、循環(huán)率高的生物質(zhì)醋酸纖維素復(fù)合納米纖維膜的制備及其表征。

背景技術(shù)

碳納米纖維擁有很多優(yōu)勢(shì)例如優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、電/熱傳導(dǎo)性和輕質(zhì)，使其成為十分有吸引力的主要原料。因?yàn)槠涠喙δ苄?，碳納米纖維在各個(gè)領(lǐng)域都具備令人滿意的潛在利用。比方說抗菌活性包裝、油水分離、空氣過濾、藥物遞送、生物傳感器等。然而，目前碳納米纖維主要由聚丙烯腈、瀝青等石油衍生物合成。這些產(chǎn)物在多方面都是很依賴于昂貴且非可再生的化石衍生物。因此，生物質(zhì)衍生的可再生資源已被認(rèn)為是替代昂貴的石油衍生物和合成聚合物的潛在原料。

靜電紡絲技術(shù)是一類在電場(chǎng)力下制取連續(xù)納米纖維的簡(jiǎn)便而經(jīng)濟(jì)的方法。經(jīng)由聚合物溶液紡絲和隨后的碳化即可獲得碳納米纖維(CNFs)。在過去的幾十年里，電紡生物材料包括植物(竹、種子等)，動(dòng)物(膠原蛋白、小麥蛋白等)，初級(jí)代謝產(chǎn)物如纖維素等，這些物質(zhì)與其他聚合物結(jié)合的實(shí)例已經(jīng)被深入研究。這些生物質(zhì)材料在生物可降解性、相容性和可再生性方面都表現(xiàn)出優(yōu)越性。大豆分離蛋白(SPI)這種物質(zhì)是從大豆中提取的一類膳食蛋白，SPI擁有可再生、成本低、官能團(tuán)多等長(zhǎng)處。而SPI由于其聚電解質(zhì)性質(zhì)，且屬于多肽分子，可紡性較低。低分子量的SPI會(huì)阻礙納米纖維的構(gòu)成，故制取SPI納米纖維與載體聚合物混紡的操作是必要的。醋酸纖維素(CA)擁有高度交聯(lián)的三維結(jié)構(gòu)，易溶解于常見溶劑中。選擇長(zhǎng)鏈CA作為載體聚合物，是因?yàn)樗a(bǔ)充了SPI的低分子量。

采納了一種共混紡絲技術(shù)來制取碳電極。經(jīng)由調(diào)節(jié)紡絲溶液濃度和CA/SPI的聚合物配比，優(yōu)化了復(fù)合納米纖維膜的理化性能。靜電紡CA-SPI復(fù)合納米纖維的研究是自支撐電極的重要補(bǔ)充，可促進(jìn)生物質(zhì)衍生材料的快速發(fā)展，并獲得廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種由功能碳前驅(qū)體衍生的自支撐生物質(zhì)靜電紡碳納米纖維膜的制備方法，有效提高納米纖維膜的電化學(xué)性能，應(yīng)用于超級(jí)電容器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：一種由功能碳前驅(qū)體衍生的自支撐生物質(zhì)靜電紡碳納米纖維膜的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：以濃度和聚合物比例為變量的CA、SPI用1，1，1，3，3六氟-2-丙醇溶解。然后靜電紡絲液用磁力攪拌裝置攪拌72h，使其完全溶解；

步驟二：靜電紡絲CA-SPI納米纖維膜用采集裝置收集。把收集到的CA-SPI靜電紡納米纖維膜放入真空干燥箱中除去殘留溶劑；

步驟三：將上述CA-SPI靜電紡納米纖維膜用NaOH乙醇溶液在室溫下浸泡，發(fā)生脫乙酰化。樣品在NaOH溶液中水解24h以保證脫乙?；^程更好地進(jìn)行，接著用去離子水沖刷去除多余堿液；

步驟四：獲得的CA-SPI纖維膜經(jīng)由預(yù)氧化處理在空氣中升溫達(dá)到一定溫度。然后分別升溫至不同溫度，在N₂保護(hù)下維持，同時(shí)進(jìn)行碳化和活化過程。待管式爐靜置冷卻至室溫后制備CA-SPI-CNFs膜，該系列產(chǎn)品以CA-SPI-x命名，x代表碳化溫度。

進(jìn)一步地，所述步驟二中所用采集裝置：針頭大小為20G、接收距離20cm、直流高壓22kV。

優(yōu)選地，所述步驟三中NaOH乙醇溶液濃度為0.1M。