[发明专利]一种强疏水性多孔碳纳米纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于多孔碳纤维技术领域，涉及一种强疏水性多孔碳纳米纤维及其制备方法。

背景技术

通过静电纺丝和后续热处理制备的多孔碳纳米纤维因具有高的比表面积、发达的孔结构和自支撑结构等优点而在吸附催化、生物工程和能源存储等应用领域受到极大的关注。到目前为止用于制备多孔碳纳米纤维的前躯体主要为聚丙烯腈（PAN）。但是PAN纤维碳化收率低，不经过活化其比表面积很低，几乎没有孔结构。而酚醛树脂基碳纤维碳产率高、仅碳化后即可获得发达的孔隙结构，引起人们越来越多的关注。同时，仅碳化得到的酚醛树脂基多孔碳纳米纤维表面氧含量低，具有优越的疏水性，对于潮湿环境中的吸附及催化剂负载等实际应用具有重要意义。

电纺前躯体溶液的性质对于电纺纤维的直径以及后续所得碳纳米纤维的孔结构、表面化学等具有影响。通过变化电纺前躯体溶液的溶剂配比可以实现对碳纳米纤维的孔结构、表面氧官能团和疏水性的有效调控。因此我们提出一种通过调控电纺前躯体溶液中不同沸点溶剂的比例来制备酚醛树脂基疏水性多孔碳纳米纤维的方法。通过变化溶剂的配比可以调控多孔碳纳米纤维的直径、孔结构、表面氧含量和疏水性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种强疏水性多孔碳纳米纤维及其制备方法，将市售的热固性酚醛树脂溶于不同配比的有机溶剂中形成前躯体溶液，利用静电纺丝法制备出均匀连续的纳米酚醛树脂纤维。经固化、碳化制得的多孔碳纳米纤维具有比表面积高、微孔结构发达、结构稳定性高和疏水性强等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种强疏水性多孔碳纳米纤维，该多孔碳纳米纤维的水接触角大于130度，具有以微孔为主的多孔结构，微孔孔容大于0.15cm³/g，比表面积大于500m²/g。

本发明还提供了所述强疏水性多孔碳纳米纤维的制备方法，利用静电纺丝技术，包括以下步骤：

步骤一，将热固性酚醛树脂配置成质量分数为10%-40%的有机溶液；

步骤二，向所述有机溶液中加入高分子量线性聚合物，并搅拌至完全溶解；

步骤三，将上述溶液静电纺丝成酚醛树脂纤维；

步骤四，将上述纤维从室温升至180℃下固化1～3小时，然后在600℃～1200℃惰性气氛下进行碳化，得到疏水性多孔碳纳米纤维。

所述热固性酚醛树脂的分子量M_w的范围是：600<M_w<3000。

所述配置有机溶液用的溶剂是溶剂A和溶剂B的混合物，溶剂A为乙醇、甲醇、丙酮或者正丙醇，溶剂B为N,N-二甲基甲酰胺或者N,N-二甲基乙酰胺，溶剂B质量分数为0～40%。

所述高分子量线性聚合物为聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇以及聚丙烯腈中的一种或几种，高分子量线性聚合物加入的量与热固性酚醛树脂的质量比是1:20～100。

所述惰性气氛为氮气或氩气环境。

步骤四中的升温可采用如下的阶梯式升温方式：从60℃-80℃的升温速率应低于4℃/h，随着温度升高，其升温速率逐步提高，在140℃以上时可提高至40℃/h，最高固化温度为180℃。

本发明中所用热固性酚醛树脂分子量较小，溶液的可纺性较差，因此需要掺入高分子量线性聚合物以提高可纺性。另外分子量较小的酚醛树脂其软化点低，直接在较高温度时固化会使纤维粘连，破坏稳定的纤维结构。因此需要阶梯式加热固化工艺，在低温时加热较长时间，保证酚醛树脂分子充分交联不会发生熔并，在高温时提高速率缩短固化时间。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

制备的碳纳米纤维仅通过碳化即获得发达的微孔结构，表面氧含量低，疏水性强；通过调节前躯体溶液的不同沸点溶剂的配比可以方便有效地制备出具有不同直径和孔结构的碳纳米纤维；所制备纤维直径降低，孔结构增强的同时表面氧含量降低，疏水性提高；所用酚醛树脂分子量低，制备成本低，纤维具有自支撑的成片状结构形貌，这些有利特点都将适合于该多孔碳纳米纤维在吸附催化等领域更好地实际应用。

附图说明

图1为本发明实施例一制备的强疏水性多孔碳纳米纤维的形貌照片。

图2为本发明对比例一制备的疏水性超细多孔碳纤维的形貌照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

强疏水性多孔碳纳米纤维的制备方法，利用静电纺丝技术，包括以下步骤：