[发明专利]一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法及应用

说明书

本发明公开一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法及应用，属于纺织纤维技术领域。本发明碳纳米纤维多级无纺布是以沥青为基材，依靠添加功能性纳米材料实现纤维的各项异性，再通过熔喷纺丝、预氧化、石墨化制备得到一种碳纳米纤维多级无纺布。本发明无纺布在具有高比表面积的同时，还通过碳纳米纤维的结构设计在无纺布中形成大量三维空腔结构，并且各级纤维之间表现出各向异性，在保障机械性能的同时保留气体通过性。同时，本发明所述碳纳米纤维多级无纺布由于其主要化学结构为碳‑碳，其还具有高温稳定性、耐化学腐蚀性以及质量密度小等优点。

技术领域

本发明属于纺织纤维技术领域，具体涉及一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法及应用。

背景技术

沥青中绝大部分组成为碳元素，还有一些氢、氮、硫元素和灰分。我国煤炭资源丰富，煤焦油沥青产量很大，沥青及其加工产物已广泛用于屋顶防水材料、电极材料、胶粘剂和表面涂料等各个领域。制备功能性碳材料是沥青资源化利用的有效途径。

近年来，多级纤维网以其孔径小、孔隙率高、比表面积大等结构优势，在个体防护、室内空气净化和工业催化等领域表现出巨大应用潜力。目前多级纤维网主要依靠静电纺丝技术制备，其具有工艺简单、纤维连续、纺丝成本低廉等优点。国内外学者通过静电纺丝设计了多种具有不同结构和形貌的多级纤维网材料，系统研究了纤维直径、表面积、面密度、厚度等结构对所形成的多级纳米纤维膜性能的影响，探讨了其应用性能，并在个体防护、室内空气净化、工业过滤领域实现了部分产业化。然而，由于静电纺纳米纤维网受到产量和结构的限制，其仍存在价格较高、力学性能不佳、产业化推广难度大等缺陷。

提高载体柔韧性、消除或减弱反应过程中催化剂内部微观结构膨胀-收缩产生的不良影响，优化织构、减少活性组分聚集，充分发挥材料的纳米效应，实现气固反应速率和传质效率的强化，是目前工业催化剂领域亟需解决的问题。随着科技的发展碳纤维以其优异的性能在结构材料方面得到了广泛的关注，碳纳米纤维网更是在催化领域展现了优异的前景。但截止目前，工业化大规模制备碳纳米纤维多级无纺布的研究和制备方法尚未见报道，因此开发一种沥青基碳纳米纤维多级无纺布具有广阔的市场前景。

发明内容

本发明为了弥补目前工业化碳纳米纤维多级无纺布的市场空白，适应现代化工企业对高比表面积碳纤维无纺布的需求，提供了一种具有三维空腔结构的高比表面积并可高效负载催化剂的碳纳米纤维多级无纺布的制备方法及应用。本发明的碳纳米纤维多级无纺布在具有高比表面积的同时，还通过碳纳米纤维的结构设计在无纺布中形成大量三维空腔结构，并且各级纤维之间表现出各向异性，在保障机械性能的同时保留气体通过性。同时，本发明所述碳纳米纤维多级无纺布由于其主要化学结构为碳-碳，其还具有高温稳定性、耐化学腐蚀性以及质量密度小等优点。

为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法，包括以下步骤：

(1)将功能纳米材料与分散剂按照质量比100:1-20混合均匀，加入到球磨机中研磨，得到适用于沥青熔喷纺丝的功能性添加剂；

(2)将适用于沥青熔喷纺丝的功能性添加剂与沥青材料按照质量比1:10-100混合均匀后通过螺杆挤出机共混造粒制备沥青熔喷母粒；

(3)将沥青熔喷母粒加入到熔喷纺丝机中形成熔体，熔体通过喷丝孔挤出，经空气冷却固化后形成初生沥青纤维网；

(4)将初生沥青纤维网经过碱洗、水洗处理后，再进行预氧化、牵伸碳化和石墨化热处理，最终制成具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布。初生沥青纤维网碱洗、水洗具体为使用5-10％的NaOH水溶液洗涤，然后水洗至中性即可。

优选的，步骤(1)所述纳米材料为纳米级金属氧化物或者纳米级非金属氧化物。纳米材料的主要功能是使得熔喷纤维各向异性，用以搭建多级纳米纤维网结构。