[发明专利]中空碳纳米纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种中空碳纳米纤维及其制备方法，其中，所述方法包括：(1)将聚丙烯腈、牺牲相和溶剂混合，以便得到纺丝液；(2)将所述纺丝液进行纺丝，以便得到原丝纤维；(3)将所述原丝纤维进行预氧化处理，以便得到预氧化后前驱体；(4)将所述预氧化后前驱体进行碳化处理，以便得到中空碳纳米纤维；其中，在步骤(1)中，所述牺牲相包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮中的至少两种。由此，采用该方法来制备中空碳纳米纤维，操作简便，生产效率高，形貌可控性高，可以规模化生产。

技术领域

本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种中空碳纳米纤维及其制备方法。

背景技术

碳纳米纤维是一种含碳量在90％以上的超细碳材料，其中，中空贯穿碳纳米纤维较实芯碳纳米纤维相比，具有密度更低、比表面积更大、化学耐受性好等优点，在过滤吸附、超级电容器、燃料电池、催化剂载体、储氢材料、智能服饰等方面有更好的应用。

近十年来，制备中空碳纳米纤维一般常用同轴静电纺丝技术。喷头为两个同轴的金属细管，其中壳层液体和核层液体材料分装于两个通道，分别连接两个储液器，为内液、外液提供两个不同的通道。将碳前驱体聚合物配成溶液置于壳层储液器，热解聚合物置于核层储液器，静电纺丝后，获得外层为碳前驱体聚合物，内层为可热降解的热解聚合物的核壳结构，再经过预氧化和碳化，除去热解聚合物，获得中空碳纤维。但是，使用同轴静电纺丝方法获得完整的核壳结构纤维，进而获得中空贯穿碳纳米纤维，需要控制一系列苛刻的实验参数，包括核壳溶液的浓度、分子量、粘度、电导率、表面张力、核壳流速，及其流速比。另外，同轴静电纺丝装置生产效率较低，不能满足大规模生产应用，纺丝的规模化生产难以实现。

因此，寻找一种操作简便，生产效率高，规模化生产中空贯穿碳纳米纤维的方法势在必行。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种中空碳纳米纤维及其制备方法，采用该方法来制备中空碳纳米纤维，操作简便，生产效率高，形貌可控性高，可以规模化生产。

在本发明的第一个方面，本发明提出了一种制备中空碳纳米纤维的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)将聚丙烯腈、牺牲相和溶剂混合，以便得到纺丝液；

(2)将所述纺丝液进行纺丝，以便得到原丝纤维；

(3)将所述原丝纤维进行预氧化处理，以便得到预氧化后前驱体；

(4)将所述预氧化后前驱体进行碳化处理，以便得到中空碳纳米纤维；

其中，在步骤(1)中，所述牺牲相包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮中的至少两种。

根据本发明实施例的制备中空碳纳米纤维的方法，通过将聚丙烯腈、牺牲相和溶剂混合，即可得到纺丝液，其中，牺牲相包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮中的至少两种，发明人发现，至少采用两种牺牲相时，整个纺丝液产生聚丙烯腈与牺牲相明显的相分离，容易在接下来的纺丝过程中形成聚丙烯腈包围牺牲相的中空结构。同时由于不同的牺牲相与聚丙烯腈之间溶度参数差值不尽相同，热处理后可以形成孔隙更丰富的中空碳纤维，同时增加碳纤维的比表面积；然后将上述纺丝液进行纺丝，即可得到原丝纤维，再将得到的原丝纤维依次进行预氧化处理和碳化处理，即可脱除其中的牺牲相，从而得到中空碳纳米纤维。采用本申请的方法来制备中空碳纳米纤维，与现有的同轴静电纺丝相比，操作更加简便，生产效率高，形貌可控性高，可以规模化生产。

另外，根据本发明上述实施例的制备中空碳纳米纤维的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述聚丙烯腈的分子量为5～30万。由此，得到的中空碳纳米纤维形貌较好，具有良好的中空结构。