[发明专利]一种PAN/PVDF基多孔纳米碳纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种PAN/PVDF基多孔纳米碳纤维的制备方法，包括配制纺丝液、静电纺、预氧化和高温碳化。本发明制备的多孔碳纤维稳定，可以长时间储存，生产周期短，制备工艺简单，便于扩大化生产和工业化生产，在催化剂、超级电容器、化学传感器，载体，高温过滤等领域有着广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米碳纤维领域，特别涉及一种PAN/PVDF基多孔纳米碳纤维的制备方法。

背景技术

多孔碳纳米纤维因其机械强度高、比表面积大、导电性好、独立性好、柔韧性好等优点，在在催化剂、超级电容器、化学传感器，载体，高温过滤等领域有着广泛的应用前景。聚合物共混技术是获得细孔可控碳材料的一条有前途的途径。这可以通过混合两种不混相聚合物来实现，这种聚合物允许控制混合结构以获得所需的孔径。以不混相聚合物共混物为前驱体制备多孔碳纤维，热稳定性高的聚合物形成碳纤维，而热稳定性极低的聚合物作为牺牲材料，它在高温下完全分解。在热分解过程中，碳纤维内部产生孔隙，通过改变共混物中牺牲聚合物的量来控制孔隙大小。PAN具有产碳率高、热稳定性好、可纺性好、经济实用等优点，是目前首选的碳前驱体。不相容PAN/PVDF共混物的静电纺丝在纤维中引入了相分离的形态，使得多孔碳化纤维适合作为超级电容电极、传感器等应用。

静电纺丝法是目前一种能够简单有效的制备直径低至几十纳米甚至几纳米的连续纤维的方法，是依靠几千到几万伏的高压静电拉伸来制备纳米纤维，具备设备简单，造价低和适用性广等优点，通过静电纺丝技术已经实现了上百种高分子、无机以及复合纳米材料结构的制备，与此同时，采用静电纺丝法也便于实现纳米纤维的规模化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种PAN/PVDF基多孔纳米碳纤维的制备方法，该方法制备的多孔碳纤维稳定，可以长时间储存，生产周期短，制备工艺简单，便于扩大化生产和工业化生产，在催化剂、超级电容器、化学传感器，载体，高温过滤等领域有着广泛的应用前景。

本发明提供了一种PAN/PVDF基多孔纳米碳纤维的制备方法，包括：

(5)将PAN和PVDF按照质量比(100-50)：(0-50)溶解于溶剂中，超声震荡，然后在70℃-90℃加热30-60分钟，最后搅拌，制得静电纺丝前驱液；

(6)将步骤(1)中的前驱液进行静电纺丝，然后将得到的纺丝膜干燥；

(7)将步骤(2)中得到的纺丝膜置于管式炉中，以2-5℃/min的升温速率升温至200℃-300℃，保温60-150min，再以4-10℃/min的速率降温至室温，进行预氧化，最后得到预氧化纳米纤维；

(8)将步骤(3)中的预氧化纳米纤维在惰性气氛保护下，以2-8℃/min的升温速率升温至600℃-1000℃，保温60-240min，然后再以4-10℃/min的降温速率至室温，得到PAN/PVDF多孔碳纳米纤维。

所述步骤(1)中的溶剂为二甲基甲酰胺、DMAc、丙酮中的一种或几种。

所述步骤(1)中的震荡时间为30分钟-60分钟。

所述步骤(1)中的搅拌时间为10小时-24小时。

所述步骤(1)中的静电纺丝前驱液的总质量浓度为5-20wt％。

所述步骤(2)中的静电纺丝参数为：正压15-20kV，负压-2kV；纺丝接收距离为15-25cm；纺丝液流速为0.5-1.0ml/h；惰性气氛为纯度≥99.999％的高纯氮气；纺丝过程持续5-20小时。

本发明成孔机理为PVDF和PAN相分离，PVDF分解成孔，不需要经过同轴静电纺丝和水洗加热，成本更低。

有益效果