[发明专利]一种基于纤维素纳米晶制备碳纳米棒的方法

说明书

本发明公开了一种基于纤维素纳米晶制备碳纳米棒的方法，采用纤维素作为基材，用酸催化法对纤维素进行处理，清除纤维素中的无定形区和杂质成分，提取纤维素纳米晶，然后经过氧化‑炭化处理后，制备直径为10—30 nm，长度为150—350 nm，具有较大长径比的碳纳米棒。本发明有效利用了生物质材料纤维素，具有原料来源广、可再生、无污染特点；通过调控纤维素纳米晶制备过程中原料、酸浓度、水解温度、水解时间因素，实现了纤维素纳米晶以及最终碳纳米棒尺寸的可调控性；在电子元件、电池能源、过滤膜微结构精细领域有着传统碳纤维、石墨烯、碳纳米管、富勒烯等所不具备的尺寸优势。

技术领域

本专利涉及一种碳纳米棒的制备方法，特别是一种基于纤维素纳米晶基碳纳米棒的制备方法。

背景技术

碳材料作为新一代复合材料的重要组成部分，已经引起全球的广泛关注。在众多碳材料中，碳纤维具有高强度高模量，低密度，低X光吸收率，抗腐蚀，抗疲劳，耐热冲击，导电导热、膨胀系数小和自润滑等优异性能，与金属、塑料、橡胶、玻璃等构建成复合材料并广泛应用于从航天、航空等高技术产业到汽车、建筑、轻工业等各个领域，对国防军工和国民经济有着举足轻重的影响。发展高性能碳纤维的生产技术对发展我国新材料工业和高性能复合材料有着重要的意义。

纳米碳纤维是指具有纳米尺度的碳纤维，即纤维直径小于1000 nm。根据形貌结构的不同，可以将广义的纳米碳纤维分为纳米碳管和狭义的纳米碳纤维。众所周知，纳米碳管是由管径只有数纳米的碳质中空管状物构成，其蜂巢状的碳原子结构近似于石墨，按照其结构的不同可以分为多层及单层石墨卷曲而成的多层、单层碳纳米管。一般而言，碳管指的是纤维管径小于20 nm的中空碳管。而纳米碳纤维一般是指纤维直径在50—500 nm大小范围的实心型纳米碳纤维，其原丝一般由溶液纺丝或静电纺丝制备。纳米碳纤维具有高的强度，质轻，导热性良好及高的导电性等特性。因此纳米碳纤维广泛用于复合材料补强材料、储氢材料、锂离子电池电极及超高电容器电极等高科技产品。

传统碳纤维的制备一般是以纤维素、聚丙烯腈或沥青类为原料，通过湿法纺丝、熔融纺丝或静电纺丝的方法制备纤维，再经稳定化、炭化或石墨化的热处理过程制备而得。这种传统的碳纤维制备工艺制备的纤维直径一般在微米级，难以制备具有真正纳米尺度的纳米碳纤维。朱罕等人（Zhu, H., Zhang, J. F., Yanzhang, R. P., Du, M. L., Wang, Q.F., Gao, G. H., Wu, J. D., Wu, G. M., Zhang, M., Liu, B., Yao, J. M., &Zhang, X. W. (2015). When Cubic Cobalt Sulfide Meets Layered MolybdenumDisulfide: A Core-Shell System Toward Synergetic Electrocatalytic WaterSplitting. Advanced Materials, 27(32), 4752-4759.）通过静电纺丝工艺制备催化剂负载的聚丙烯腈纳米纤维，然后将其高温炭化，得到了比表面积大、催化效果好的纳米碳纤维基催化材料。而利用纤维素基的碳纤维也引起了广泛研究，其中利用纤维素制备纺丝液（CN 102965765 A）进行湿法纺丝、木质素湿法纺丝（CN 103774286 A）、细菌纤维素膜罗拉撕裂（CN 103184586 A）甚至以棉花为原料（CN 103215691 A）制备碳纤维，在过滤领域、吸附领域以及保暖领域均取得了良好的效果。然而，上述纳米碳纤维以及碳纳米管等纳米碳材料由于长径比过大，纳米碳纤维直径尺度过大，在用于上述电子器件、电池材料的过程中，由于叠加导电效应明显而难以达到精确储能，因此，制备长度低于500 nm，粒径更小的碳纳米棒成为产业研发与应用的一种必要。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于纤维素纳米晶制备碳纳米棒的方法，本发明有效利用了生物质材料纤维素，具有原料来源广、可再生、无污染等特点；在电子元件、电池能源、过滤膜微结构等精细领域有着传统碳纤维、石墨烯、碳纳米管、富勒烯等所不具备的尺寸优势。