碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳?xì)饽z是由美國Pekblb首先發(fā)現(xiàn)的一種新型輕質(zhì)納米多孔材料,其基本特點為孔隙率高，比表面積大和密度變化范圍廣，在電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等方面具有特殊性能，有著廣泛的應(yīng)用前景。例如可以用作超級電容、催化劑載體、貯氫材料、電極材料、吸收劑以及氣體檢測器等。其中質(zhì)輕和含摻雜的碳?xì)饽z更是有著極大的應(yīng)用前景。例如，超輕的氮摻雜的石墨烯結(jié)構(gòu)用作吸收劑和超級電容器電極，展示出極大的吸收容量和特殊電容。摻雜金屬的碳?xì)饽z具有更高的貯氫性能。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)公開了多種制備碳?xì)饽z的方法，但是大多數(shù)方法難于一步法、簡便制備含有多種組分摻雜的碳?xì)饽z，且不易于調(diào)控碳?xì)饽z的結(jié)構(gòu)。因此，限制了更其廣泛的應(yīng)用。
[0004]靜電紡絲納米纖維是通過使聚合物溶液帶上高壓靜電，當(dāng)電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流，聚合物射流拉伸細(xì)化，同時彎曲、劈裂，溶劑蒸發(fā)或固化，沉積于接收板上而形成納米纖維。靜電紡絲納米纖維技術(shù)可以將多種組分共同集成在同一根纖維中，從而制備復(fù)合納米纖維，可以實現(xiàn)聚合物/聚合物、聚合物/無機物及無機物/無機物復(fù)合纖維的制備。此外，通過改變制備參數(shù)(如改變噴頭結(jié)構(gòu)、控制實驗條件等)，靜電紡絲技術(shù)可制備出結(jié)構(gòu)多樣的納米纖維材料(如實心、空心、核-殼結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維或是蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的二維纖維膜等)。目前，大多數(shù)靜電紡絲技術(shù)以金屬材料作為接收器。因此，所得到一般是納米纖維膜，要獲得納米纖維溶液必須再次將納米纖維膜分散到適當(dāng)溶劑里。這不僅耗時，而且纖維膜難于分散均勻，且在分散中易于斷裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]解決目前碳?xì)饽z制備方法中，難于一步法、簡便制備多組分摻雜，結(jié)構(gòu)可控的碳?xì)饽z的技術(shù)問題，本發(fā)明公布了一種碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法，該方法能簡單、快速制備多組分，結(jié)構(gòu)多樣化的碳納米纖維氣凝膠，顯著提高碳納米纖維氣凝膠的性能，滿足現(xiàn)實中不同需求，擴大其應(yīng)用前景。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的以下步驟:
步驟a)配制靜電紡絲液；
步驟b)選擇適當(dāng)?shù)娜軇┲苯咏邮侦o電紡絲納米纖維，得到納米纖維溶液；
步驟c)將納米纖維溶液定型冷凍，然后置于冷凍干燥機中干燥，得到納米纖維氣凝膠；
步驟d)將所述的納米纖維氣凝膠進行預(yù)氧化、碳化和活化，得到碳納米纖維氣凝膠。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點是 O以適當(dāng)?shù)娜軇┲苯咏邮侦o電紡絲納米纖維，實現(xiàn)了一步法得到分散均一的納米纖維溶液，且納米纖維不會斷裂，保持良好連續(xù)性，有利于提高碳納米纖維氣凝膠性能。
[0008]2)本方法制備的碳納米纖維氣凝膠，其原料來源廣泛，不僅可以是高分子材料，也可以是多種有機/無機復(fù)合材料。
[0009]3)本方法制備的碳納米纖維氣凝膠，其納米纖維是由靜電紡絲技術(shù)制備而成。因此，能輕易將多種組分共同集成在同一根纖維中，從而制備復(fù)合納米纖維，有效地提高碳納米纖維氣凝膠性能。
[0010]4)本方法制備的碳納米纖維氣凝膠結(jié)構(gòu)可控(如纖維是否中空、纖維直徑、比表面積和密度等)，因此可以根據(jù)不同需求，制備最佳結(jié)構(gòu)的碳納米纖維氣凝膠。
【附圖說明】
[0011]圖1為實施例一條件下，碳納米纖維氣凝膠的光學(xué)圖。
[0012]圖2為實施例一條件下，碳納米纖維氣凝膠的掃描電鏡圖(SEM)。
【具體實施方式】
[0013]現(xiàn)結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。
[0014]實施例一
I)紡絲液的配制:稱取2 g的聚丙烯晴(PAN)粉末和0.3 g氧化石墨烯(G0)，加入到含有20 g 二甲基甲酰胺(DMF)溶劑的100 mL錐形瓶中，置于60 °C水浴中加熱攪拌至溶解，配置成PAN-GO混合溶液。
[0015]2)納米纖維的制備:將步驟I)中的電紡絲液置于10 ml注射器中，以盛水的塑料容器作為納米纖維的接收器收集納米纖維。紡絲參數(shù)為:電壓15 kV，噴絲口內(nèi)徑0.6 mm,紡絲液流速0.9 mL/h，噴絲頭到接收水面的距離為15 cm，接收時間3 h，環(huán)境條件:溫度30±5 °C，相對濕度50±5%，接收器來回移動速度0.5 cm/s。
[0016]3)納米纖維氣凝膠的制備:將步驟2中的收集的納米纖維溶液，根據(jù)所需密度和形狀，進行定型，然后置于-4 °C冰箱中冷凍5 h ;接著將冷凍成型的納米纖維置于冷凍干燥機中干燥2 d，得到納米纖維氣凝膠。
[0017]4)碳納米纖維氣凝膠的制備:將步驟3中的納米纖維氣凝膠置于280 1:烘箱中，預(yù)氧化60 min;然后在管式馬弗爐里，在N2保護下以，5 °C /min的速率升溫至600°C后，保持0.5 h;接著再以5 0C /min的速率升溫至900 °C，在CO2環(huán)境下，活化0.5 h，最終以5V /min的速率降溫到室溫，得到含有石墨烯的碳納米纖維氣凝膠。
[0018]5)碳納米纖維氣凝膠的電容性能測試:將步驟4中的碳納米纖維氣凝膠作為工作電極。用Ag/AgCl電極作參比電極，鉬絲作對電極，在I mol/L KOH電解液中，采用經(jīng)典的三電極體系，在電化學(xué)工作站進行循環(huán)伏安及充放電測試。
[0019]實施例二
I)紡絲液的配制:稱取2 g的聚丙烯晴(PAN)粉末和0.1 g氯化鐵(FeCl3),加入到含有20 g 二甲基甲酰胺(DMF)溶劑的100 mL錐形瓶中，置于60°C水浴中加熱攪拌至溶解，配置成PAN-FeCV混合溶液。
[0020]2)納米纖維的制備:將步驟I)中的電紡絲液置于10 ml注射器中，以盛水的塑料容器作為納米纖維的接收器收集納米纖維。紡絲參數(shù)為:電壓15 kV，噴絲口內(nèi)徑0.6 mm,紡絲液流速0.9 mL/h，噴絲頭到接收水面的距離為15 cm，接收時間3 h，環(huán)境條件:溫度30±5 °C，相對濕度50±5%，接收器來回移動速度0.5 cm/s。
[0021]3)納米纖維氣凝膠的制備:將步驟2中的收集的納米纖維溶液，根據(jù)所需密度和形狀，進行定型，然后置于-4 °C冰箱中冷凍5 h ;接著將冷凍成型的納米纖維塊置于冷凍干燥機中進行干燥2 d，得到納米纖維氣凝膠。
[0022]4)碳納米纖維氣凝膠的制備:將步驟3中的納米纖維氣凝膠置于管式馬弗爐里，在隊保護下以，5 0C /min的速率升溫至600°C后，保持0.5 h;接著再以5 °C /min的速率升溫至800 °C，在水蒸氣環(huán)境下，活化0.5 h，最終以3 0C /min的速率降溫到室溫，得到摻雜鐵的碳納米纖維氣凝膠。
[0023]5)碳納米纖維氣凝膠的電容性能測試:將步驟4中的碳納米纖維氣凝膠作為工作電極。用Ag/AgCl電極作參比電極，鉬絲作對電極，在I mol/L KOH電解液中，采用經(jīng)典的三電極體系，在電化學(xué)工作站進行循環(huán)伏安及充放電測試。
[0024]盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟a)配制靜電紡絲液； 步驟b)選擇適當(dāng)?shù)娜軇┲苯咏邮侦o電紡絲納米纖維，得到納米纖維溶液； 步驟c)將納米纖維溶液定型冷凍，然后置于冷凍干燥機中干燥，得到納米纖維氣凝膠； 步驟d)將所述的納米纖維氣凝膠進行預(yù)氧化、碳化和活化，得到碳納米纖維氣凝膠。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法，其特征在于所述步驟a)中的靜電紡絲液包含聚合物溶液、無機溶液、聚合物/無機物復(fù)合溶液；其聚合物溶液包含聚丙烯腈、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氨酯、聚氨酯尿素、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酸、聚砜和聚醚砜等其中的一種或幾種混合物，以及其改性聚合物等；無機物包含碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯、納米粒子以及納米粒子前軀物等。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法，其特征在于所述步驟b)的具體步驟為，根據(jù)所紡納米纖維的物理化學(xué)性質(zhì)，選擇適當(dāng)溶劑置于接收容器中，一步法形成納米纖維溶液；其中溶劑包含水、乙醇、有機溶劑，以及它們的混合溶液等。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法，其特征在于所述步驟c)的具體步驟為，將充分分散的納米纖維溶液置于液氮中冷凍10?60 min,或放于-4?-20 °C冰箱中冷凍I?12 h，然后將定型的納米纖維置于冷凍干燥機中干燥I?3 d，得到納米纖維氣凝膠。
5.如權(quán)利要求1所述的碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法，其特征在于所述步驟d)的具體步驟為，將所述的納米纖維氣凝膠置于180?350 °C烘箱中，預(yù)氧化10?120min ;然后在馬弗爐里，在惰性氣體保護下以，I?8 0C /min的速率升溫至500?700°C后，保持0.5?3 h ;接著再以I?8 °C /min的速率升溫至750?1200°C，在活性氣體的條件下，活化0.5?3 h;最終以I?5 0C /min的速率降溫至室溫，得到碳納米纖維氣凝膠。
6.如權(quán)利要求1所述的碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法，其特征在于可以在步驟b)中的納米纖維溶液中添加具有強機械性能的物質(zhì)，或?qū){米纖維進行交聯(lián)劑，以增強碳納米纖維氣凝膠的機械強度。
7.如權(quán)利要求1所述的碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法，其特征在于可用于制備載體材料、吸附材料、貯氫材料、電容材料、電極材料和壓力傳感器等。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。具體步驟如下：步驟a）配制靜電紡絲液；步驟b）選擇適當(dāng)?shù)娜軇┲苯咏邮侦o電紡絲納米纖維，得到納米纖維溶液；步驟c）將納米纖維溶液定型冷凍，然后置于冷凍干燥機中干燥，得到納米纖維氣凝膠；步驟d）將所述的納米纖維氣凝膠進行預(yù)氧化、碳化和活化，得到碳納米纖維氣凝膠。本發(fā)明提供的碳納米纖維氣凝膠的靜電紡絲構(gòu)建方法不僅簡單易行，重復(fù)性好，且所制備的碳納米纖維氣凝膠組成和結(jié)構(gòu)易控，可構(gòu)建結(jié)構(gòu)多樣的復(fù)合碳納米纖維氣凝膠，以滿足實際應(yīng)用中的不同需求。
【IPC分類】D01F9-21, D01F9-24, D01F9-22, D01F9-26
【公開號】CN104674383
【申請?zhí)枴緾N201510074631
【發(fā)明人】鐘鷺斌, 鄭煜銘, 楊躍傘
【申請人】中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月12日