一種碳納米纖維/納米顆粒復合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳納米纖維/納米顆粒復合材料的制備方法。其內容是將經發(fā)泡劑改性后的納米顆粒與聚合物共混紡絲，然后借助預氧化以及碳化工藝制備碳納米纖維/納米顆粒復合材料。由于發(fā)泡劑在高溫下分解釋放氣體，不僅在纖維表面形成大量的介孔結構，而且會驅動納米顆粒逐步向碳納米纖維表面析出，使納米顆粒部分暴露，形成獨特的半包覆結構，由此制備出半包覆和介孔形貌的碳納米纖維/納米顆粒復合材料?；谠摲椒ㄖ苽涞膹秃喜牧?，具有納米顆粒負載量大、分布均勻、與纖維界面結合強度高和纖維表面吸附性能強的優(yōu)勢。
【專利說明】
一種碳納米纖維/納米顆粒復合材料的制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于功能復合材料技術領域，特別是一種碳納米纖維/納米顆粒復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]碳納米纖維/納米顆粒復合材料由于其具有較大的比表面積、優(yōu)異的電子傳導能力以及較長的使用壽命等優(yōu)點而具有廣闊的應用前景。目前，已有越來越多的學者借助靜電紡絲技術制備碳納米纖維，并通過不同方法在纖維表面負載納米顆粒，主要有以下三種制備方法:(I)在紡絲液中加入納米顆粒的前驅體，并在后期預氧化、碳化過程中前驅體逐漸轉變?yōu)榧{米顆粒并向纖維表面析出，這種方法雖然容易實現，但是纖維表面析出的顆粒有限，應用受限；(2)在紡絲液中直接加入納米顆粒進行共混紡絲，然后進行預氧化、碳化操作，這種方法會造成納米顆粒團聚現象嚴重，嚴重影響纖維形貌，并且大部分納米顆粒都包覆在纖維內部，無法充分發(fā)揮納米顆粒的作用；(3)紡絲后，將纖維膜與納米顆粒進行后組裝(水熱法、電泳沉積、浸漬法等)，然后進行預氧化、碳化操作，該方法制備出的材料表面顆粒負載量大，但是容易脫落，易造成二次污染。總結不同制備方法的優(yōu)缺點可以看出，目前的制備方法尚無法有效解決納米顆粒在紡絲液中的分散問題以及如何實現高負載量和強界面的問題。此外，賦予一維纖維材料一定的介孔結構會迅速增大材料的比表面積，進而提高吸附性能，因此可能在催化、吸附、能源等眾多領域有很好的應用前景。
[0003]因此，本發(fā)明將利用發(fā)泡劑在碳化過程中的高揮發(fā)性，不僅可以賦予纖維高比表面積，而且會驅動納米顆粒逐漸向碳納米纖維表面析出，形成穩(wěn)定的半包覆結構，進而構建一種高負載量、強界面、高吸附的碳納米纖維/納米顆粒復合材料。

【發(fā)明內容】

[0004]將經發(fā)泡劑改性后的納米顆粒共混到聚合物紡絲液中，然后利用發(fā)泡劑在碳化中會不斷分解釋放，進而在碳納米纖維內部和表面形成大量介孔結構，其次釋放的氣體將會變成一種驅動力促使納米顆粒逐漸向碳納米纖維表面迀移，使納米顆粒部分暴露，形成獨特的半包覆結構，從而制備出高負載量、強界面、高吸附的碳納米纖維/納米顆粒復合材料。其具體步驟包括:
[0005]I)將經發(fā)泡劑處理的納米顆粒共混到聚合物紡絲液中，然后借助靜電紡絲技術制備含有納米顆粒的聚合物納米纖維膜；
[0006]2)將聚合物納米纖維膜以2?5°C/min的速度升溫到260?280°C，并預氧化I?4h;
[0007]3)將上述預氧化處理后的復合纖維膜在惰性氣體的氛圍中進行碳化，進而制備出高負載量、強界面的介孔碳納米纖維/納米顆粒復合材料；
[0008]所述的發(fā)泡劑選自甜菜堿、偶氮二甲酸二異丙酯中的一種；納米顆粒選自二氧化鈦、氧化鋅、三氧化二鐵、二氧化錫的一種;聚合物選自聚乙烯醇、聚丙烯腈中的一種;碳化過程的惰性氣體選自氮氣、氬氣、氦氣中的一種。
[0009]所述的碳化溫度為600?1500°C，升溫速度為2?5°C/min，碳化時間為2?5h。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明利用發(fā)泡劑在碳化過程中的高揮發(fā)性，不僅可以顯著增加纖維的比表面積，而且會驅動納米顆粒逐漸向碳納米纖維表面析出，使納米顆粒部分暴露，形成獨特的半包覆結構，進而構建一種高負載量、強界面、高吸附的碳納米纖維/納米顆粒復合材料。同時摒除了納米顆粒在紡絲液中分散困難的弊端，
【具體實施方式】
[0011]本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方案，其可選參數的范圍較廣，可以是具體實例中舉出的，也可以選取其他參數進行實驗。以下是一些具體的實施實例:
[0012]實施例1:
[0013]首先將1g甜菜堿與0.9g二氧化鈦納米顆?；旌希賹⑵涞谷胨c甜菜堿的混合溶液中攪拌24h，然后將攪拌好的混合溶液倒入已經溶解充分的聚乙烯醇紡絲液中，最后借助靜電紡絲技術制備聚乙烯醇/ 二氧化鈦復合纖維膜。隨后將聚乙烯醇/ 二氧化鈦復合纖維膜在鼓風烘箱中進行預氧化操作，以2°C/min的速度升溫到260°C，并預氧化2h。然后，將預氧化后的復合纖維膜在氮氣氛圍中以4°C/min的速度升溫到800°C，并同時碳化2h，最終制得碳納米纖維/ 二氧化鈦半復合材料。
[0014]實施例2
[0015]首先將5g甜菜堿與0.5g氧化鋅納米顆?；旌?，再將其倒入二甲基甲酰胺與甜菜堿的混合溶液中攪拌20h，然后將攪拌好的混合溶液倒入已經溶解充分的聚丙烯腈紡絲液中，最后借助靜電紡絲技術制備聚丙烯腈/氧化鋅復合纖維膜。隨后將聚丙烯腈/氧化鋅復合纖維膜在鼓風烘箱中進行預氧化操作，以:TC/min的速度升溫到270°C，并預氧化3h。然后，將預氧化后的復合纖維膜在氬氣氛圍中以:TC/min的速度升溫到1100°C，并同時碳化3h，最終制得碳納米纖維/氧化鋅復合材料。
[0016]實施例3
[0017]首先將Sg偶氮二甲酸二異丙酯與0.6g三氧化二鐵納米顆?；旌希賹⑵涞谷攵谆柞０放c偶氮二甲酸二異丙酯的混合溶液中攪拌18h，然后將攪拌好的混合溶液倒入已經溶解充分的聚丙烯腈紡絲液中，最后借助靜電紡絲技術制備聚丙烯腈/三氧化二鐵復合纖維膜。隨后將聚丙烯腈/三氧化二鐵復合纖維膜在鼓風烘箱中進行預氧化操作，以5°C/min的速度升溫到280 °C，并預氧化4h。然后，將預氧化后的復合纖維膜在氦氣氛圍中以5°C/min的速度升溫到1400°C，并同時碳化5h。最終制得碳納米纖維/三氧化二鐵復合材料。
【主權項】
1.一種碳納米纖維/納米顆粒復合材料的制備方法。其特征在于:所述的方法是借助發(fā)泡劑的高溫分解致孔作用和驅動效應制備高負載量、半包覆、介孔形貌的碳納米纖維/納米顆粒復合材料。2.根據權利要求1所述的制備方法，其制備過程為:將經發(fā)泡劑改性后的納米顆粒共混到聚合物紡絲液中，利用靜電紡絲技術、預氧化以及碳化工藝制備碳納米纖維/納米顆粒復合材料。3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述的發(fā)泡劑選自甜菜堿、偶氮二甲酸二異丙酯中的一種;納米顆粒選自二氧化鈦、氧化鋅、三氧化二鐵、氧化錫的一種;聚合物選自聚乙烯醇、聚丙烯腈中的一種;碳化過程的惰性氣體選自氮氣、氬氣、氦氣中的一種。4.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述的碳化溫度為600?1500°C，升溫速度為2?5°C/min，碳化時間為2?5h。含有納米顆粒的聚合物納米纖維膜被以2?5°C/min的速度升溫到260?280°C，并預氧化I?4h。
【文檔編號】D01F1/10GK105926085SQ201610532110
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】徐志偉, 李顯華, 錢曉明, 滕堃玥, 石睫, 王維, 李翠玉, 李鳳艷
【申請人】天津工業(yè)大學