[发明专利]静电纺碳纳米纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种静电纺碳纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：将聚丙烯腈、微波吸收剂和有机溶剂混合均匀，形成纺丝液，其中，所述纺丝液中聚丙烯腈的含量为8‑12wt％，聚丙烯腈和微波吸收剂的质量比为1：(0.1‑0.3)。将所述纺丝液进行静电纺丝，得到纳米纤维膜。将所述纳米纤维膜进行热处理，以使所述纳米纤维膜中的聚丙烯腈预氧化，从而得到碳纳米纤维前驱体。将所述碳纳米纤维前驱体在惰性气体氛围中进行微波辐照加热，使得所述碳纳米纤维前驱体中预氧化后的聚丙烯腈碳化，制得碳纳米纤维。本发明制备方法工艺简单、易操作，减少了热传导对能量交换和反应程度的缓解影响，制备过程耗时短，耗能少，工艺绿色环保；生产成本低，有利于工业化批量生产静电纺碳纳米纤维。

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，具体是一种基于微波辐照加热技术，快速高效的制备静电纺碳纳米纤维的方法。

背景技术

碳纳米纤维是指由多层石墨片卷曲而成的纤维状纳米碳材料，它的直径一般为10-500nm，长度分布在0.5-100μm，是介于碳纳米管和普通碳纤维之间的一维碳材料。碳纳米纤维因其优异的物理、力学性能和化学稳定性，如高比表面积、高长径比、高导电、低密度、高比模量、高比强度以及好的热稳定性等，被广泛应用于吸附、过滤、结构增强材料以及储氢、催化和能量储存与转变等领域，引起了人们的广泛关注。

目前，制备碳纳米纤维的方法主要有化学气相沉积法、模板法和静电纺丝法等。

化学气相沉积法合成的碳纳米纤维存在管径均匀性难以控制。化学气相沉积法设计催化剂的去除，而催化剂去除会破坏纤维结构，工艺可扩展性不好等问题。

模板法的制备工艺复杂，成本高，但产量小。

静电纺丝法凭借其设备简单、操作便利、低成本以及能够连续制备直径从几十纳米至几个微米的超细纤维而备受青睐。通过静电纺丝技术获得纳米纤维原丝，再经预氧化处理和碳化过程，即可得到碳纳米纤维。因此，可通过调节纺丝参数而实现对纤维直径及长度的高效控制，还可通过调节碳化温度实现对纤维各项物理、力学及化学性能的优化。

福建师范大学的钱庆荣等人利用静电纺丝技术协同热处理工艺，制备得到了聚氯乙烯(PVC)基碳纳米纤维。(钱庆荣等，一种PVC基碳纳米纤维的制备方法，公开号：CN103409852B)含有PVC的纺丝液首先被电纺成PVC基碳纳米纤维前驱体，在马弗炉中预氧化后置于管式炉中，在惰性气体氛围中，以2℃/min的升温速率，在600-1200℃煅烧1-3h，最后获得了PVC基碳纳米纤维。类似的，天津工业大学的王闻宇等人利用静电纺丝协同高温碳化工艺制备了一种交联多孔的碳纳米纤维。(王闻宇等，一种交联多孔碳纳米纤维及其制备方法，公开号：CN109082731B)静电纺聚丙烯腈/线性酚醛树脂纳米纤维被预氧化处理后，以1-5℃/min的升温速率在800-1200℃碳化处理1-2h，最终获得了比面积高达994m²/g的交联多孔碳纳米纤维。

值得注意的是，尽管静电纺丝技术制备碳纳米纤维具有诸多优势，但是碳纳米纤维前驱体在利用传统管式炉高温碳化过程中，往往存在由于升温速率慢和退火时间长而造成的制备周期长、成本高和环境不友好等不足，不利于碳纳米纤维的快速制备和进一步大规模的应用。

传统管式炉的加热模式是通过将电热阻丝的热量辐射到加热对象表面而实现加热。在这个过程中，目标产物及其周围的环境都同时被加热了，即这是一个整体加热过程。因此造成了升温速率缓慢，而且需要长时间的加热才能实现均匀加热。

微波辐照加热是一种局部加热的方法，是将电磁能量在辐照材料内直接转化为热能而实现快速加热的一种技术，因此具有超高的升温速率和均匀的加热环境，从而能量和时间利用更加高效。然而，静电纺碳纳米纤维前驱体材料，诸如聚丙烯腈基纳米纤维、沥青基纳米纤维、粘胶基纳米纤维等，它们的微波吸收能力较弱，难以快速碳化。

基于上述，亟需发展一种快速、高效、环保、低成本的碳化方法，对于实现静电纺碳纳米纤维工业化的批量生产具有重要意义。

发明内容