一种具有高比表面积纳米炭纤维的制备
【专利摘要】本发明公开了一种具有高比表面积纳米炭纤维的制备方法，采用具有低分子量的甲阶酚醛树脂作为炭前驱体，以具有较高分子量的聚合物作为纺丝助剂，通过向原液中添加含硅有机物的方式，得到纺丝原液。经静电纺丝技术制备出具有纳米尺寸的初纺纤维，再经固化、炭化以及酸洗等过程，制备出具有高比表面积的多孔纳米炭纤维该方法通过对造孔剂加入量的控制，实现对纳米炭纤维的比表面积的调控，具有工艺简单，可操作性强等优点。
【专利说明】
一种具有高比表面积纳米炭纤维的制备
技术领域
:本发明涉及一种纳米炭纤维的制备方法，尤其是涉及一种具有高比表面积的纳米炭纤维的制备方法。【背景技术】炭材料由于其价格低廉、物理化学性质稳定以及具有不同形态等特性被广泛应用于能量储存、工业催化等领域。尤其是近年来碳纳米管、富勒烯以及石墨烯等新型炭材料的发现使得人们对炭材料的研究不断深入，可以预期，新型炭材料会是未来新材料领域的研究热点。
[0003]纳米炭纤维作为新型炭材料的一种具有诸多优点，它不仅具有传统炭纤维导热导电性良好、耐腐蚀等固有特性，还兼具有纳米材料小尺寸效应、大比表面积效应等优点，使得其在储能、吸附、催化以及生物医药等领域具有光明的前景。纳米炭纤维的结构特性在很大程度上决定了其性能，具有高比表面积、高孔容以及合适尺寸孔径的多孔纳米炭纤维在各方面均表现出了优异的性能，活化法是目前最常采用的一种提高炭材料比表面积的方法，但是活化法普遍存在工艺较复杂、生产成本高以及不易控制、孔径结构等缺陷。例如化学活化法一般采用K0H或NaOH作为活化剂，中国专利文献CN 1807235A(申请号:200610038065.0)公开了一种酚醛树酯基高比表面积活性炭的制备方法，将酚醛树脂与固化剂粉碎混合后在于活化剂K0H或NaOH混合，活化剂与酚醛树脂的质量比最高可达7:1，强碱含量高不仅会对设备产生一定程度的腐蚀，还因钾离子或钠离子的引入对产物的后续处理带来挑战，中国文献专利CN 101700885A(申请号200910219704.7)公开了一种高比表面积活性炭的制备方法，虽然降低了碳碱比，但引入了活化气体H2或者H2与惰性气体，不仅增加了成本还带来一定的危险性相比于化学活化法，物理活化发虽然具有环境友好等特点，但其往往需要较长的周期，能耗高、效率低等缺陷大大增加了生产成本中国文献专利CN101397136A(申请号200810233530.5)公开了一种物理活化法制备高比表面积颗粒活性炭的方法，该方法引入微波辐射装置一定程度上缩短了炭化时间，但新装置的引入同样会增加成本。中国专利文献CN102627276A(申请号201210079041.5)公开了一种热解活化法制备果壳活性炭的方法及活性炭，该方法不需要活化气体直接一步热解得到活性炭，但仍存在炭化时间过长的问题，因此寻找一种更为简易且有效的方法来提高炭材料的比表面积十分必要模板法作为一种可以有效控制孔结构的方法，在多孔炭材料的研究中起到了重要的作用，其突出特点在于通过不同模板剂的引入可以实现对材料孔结构的调控， 得到具有理想孔结构的产物。因此寻找一种合适的模板剂，使得产物既具有高等比表面积又具有理想的孔道结构是目前面临的一大挑战。
【发明内容】
:本发明的目的是寻找合适的模板剂，使其与炭前驱体混合良好，其添加不会对纺丝原液的可纺性产生明显的影响，且可制备出具有高比表面积的纳米炭纤维的方法。高比表面积的纳米炭纤维的制备方法，采用以下步骤:(1)阶酚醛树脂的制备:将含羟基酚类及其衍生物与醛溶液和催化剂混合，含羟基酚类及其衍生物和醛的摩尔比为:1:0.5-1:0.8，调节溶液pH到9-12，升温至70°C，恒温60-80min;反应结束后将产物冷却至室温，使用HC1溶液将pH调节至中性，在50-60°C对产物进行减压蒸馏除去产物中的水分;将得到的酚醛树脂配制成20-40 %的乙醇溶液(2)纺丝原液的配制:将含硅有机物和无水乙醇溶于乙醇，调整浓度为5-30%，并加入2-5%HCl溶液(2M)，搅拌2-4h;然后加入10-30%的酚醛树脂乙醇溶液，调整酚醛树脂和含硅有机物的质量比为2: 1-1:3，搅拌2-4h;然后加入高聚物调节纺丝液浓度，搅拌2-5h，高聚物的浓度为5-10 %(3)静电纺丝:将纺丝原液在空气中静置2-10h后进行纺丝，得到初纺纤维;纺丝参数为:纺丝电压区间为15-25KV，纺丝距离为15-30cm，挤出速率为l-5ml/h(4)初纺纤维的固化:将初纺纤维在空气中静置1-5天，在100-150 °C下固化l_3h(5)纤维的炭化:在惰性气体保护下，以l_3°C/min升温至500°C，恒温30_60min，再以l_5°Cmin升温至 700-900。(:，恒温60-180min(6)酸洗处理:[〇〇18]将得到的产物置于10-30 %的酸溶液中24-72h，然后水洗至中性，得到产物。2.本发明所述的一种具高比表面的纳米炭纤维的制备方法，其特征在于所述的催化剂为Na0H、K0H、NH3 ? H2〇、Na2C〇3、K2C〇3以及Ca(OH)2、Ba(OH)2、乙胺、乙二胺等。3.本发明所述的一种具有高比表面的纳米炭纤维的制备方法，优选的含羟基酚类及其衍生物选自苯酚、甲基苯酚、二甲基苯酚、间苯二酚以及间苯三酚;醛选自甲醛、乙醛、丁醛和糠醛4.本发明所述的一种具有高比表面的纳米炭纤维的制备方法，优选的含硅有机物选自正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯等。5.本发明所述的一种具有高比表面的纳米炭纤维的制备方法，优选的高聚物为聚乙烯缩丁醛、聚乙烯缩乙醛或者聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。本发明具有以下优点:1制备出具有高比表面积的纳米炭纤维，其比表面积可以与采用活化法制得的纳米炭纤维相媲美。2实现了对孔结构的调控，产物具有相对集中的孔径分布。3造孔剂与树脂分散性良好，纺丝原液可以长时间保存。4本发明制得的纳米炭纤维可用于吸附、电极材实的制备等领域。5该方法工艺简单、条件可控、科学可行。【附图说明】图1是实施例1得到的纳米炭纤维的扫描电镜照片；图2是实施例2得到的纳米炭纤维的扫描电镜照片；图3是实施例3得到的纳米炭纤维的扫描电镜照片；图4是实施例4得到的纳米炭纤维的扫描电镜照片；【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明要求保护的范围并不局限于实施例所述的范围实施例1:将苯酚、甲醛溶液和催化剂NH3 ? H20混合，酚和醛的摩尔比为:1:0.5,调节pH到9,升温至70°C，恒温80min;反应结束后将产物冷却至室温，用HC1溶液将pH调节至中性，在50°C对产物进行减压蒸馏除去产物中的水分，将得到的酚醛树脂配制成20%的乙醇溶液；将5g正硅酸甲酯和95g无水乙醇混合，并加入2g HC1溶液(2m〇L/L)，在40 °C水浴下搅拌 2h。然后加入50g酚醛树脂乙醇溶液(20wt%)，继续搅拌2h。接着加入50gPVP乙醇溶液 (20wt% )，搅拌2h，得到混合均匀的纺丝原液纺丝参数为:原液流速为3ml/h，施加电压为 20Kv，纺丝距离为20cm。将得到的初纺纤维在空气中静置24h，然后在100°C下固化lh，得到固化纤维将固化纤维置于管式电阻炉中，在氮气保护下升温至800°C，并恒温lh，得到炭纤维将得到的纳米炭纤维在20wt%的HF水溶液中浸泡24h后，采用抽滤的方式将产物水洗至中性，在100°C下放置24h烘干，最终得到具有高比表面积的多孔纳米炭纤维其扫描电镜照片如图1所示，氮吸附测试表明其比表面积为823m2/g，孔体积为0.35cm3/g。实施例2:将间苯二酚、乙醛溶和催化剂NsOH，酚和醛的摩尔比为:1:0.8，调节pH到12，升温至70 °C，恒温60min;反应结束后将产物冷却至室温，用HC1溶液将pH调节至中性，在60°C对产物进行减压蒸馏除去产物中的水分，将得到的酚醛树脂配制成40%的乙醇溶液。将l〇g正硅酸乙酯和90g无水乙醇混合，并加入3g HC1溶(2m〇L/L)。在40°C水浴下搅拌 3h。然后加入25g酚醛树脂乙醇溶液(40wt% )，继续搅拌2h接着加入50g聚乙烯缩乙醛乙醇溶液(30wt % )，搅拌2h，得到混合均匀的纺丝原液、纺丝参数为:原液流速为3ml/h，施加电压为20Kv，纺丝距离为20cm，将得到的初纺纤维在空气中静置24h，然后在100°C下固化lh， 得到固化纤维。将固化纤维置于管式电阻炉中，在氮气保护下升温至800°C，并恒温lh，得到炭纤维。将得到的钠米炭纤维在20wt%的HF水溶液中浸泡24h后，采用抽滤的方式将产物水洗至中性，在KKTC下放置24h烘干，最终得到具有高比表面积的多孔纳米炭纤维。其扫描电镜照片如图2所示，氮吸附测试表明其比表面积为1493m2/g，孔体积为0.76cm3/g。实施例3:将间苯三酚、糠醛溶和催化剂Na2C03,酚和醛的摩尔比为:1:0.8,调节pH到10,升温至 70°C，恒温70min;反应结束后将产物冷却至室温，用HC1溶液将pH调节至中性，在55°C对产物进行减压蒸馏除去产物中的水分，将得到的酚醛树脂配制成30%的乙醇溶液。将20g正硅酸丙酯和80g无水乙醇混合，并加入4gHCl溶(2moL/L)，在40°C水浴下搅拌 4h。然后加入33g酚醛树脂乙醇溶液(30wt%)，继续搅拌2h，接着加入50gPVP乙醇溶液 (40wt % )，搅拌2h，得到混合均匀的纺丝原液，纺丝参数为:原液流速为3ml/h，施加电压为20Kv，纺丝距离为20cm。将得到的初纺纤维在空气中静置24h，然后在100°C下固化lh，得到固化纤维，将固化纤维置于管式电阻炉中，在氮气保护下升温至800°C，并恒温lh，得到炭纤维，将得到的纳米炭纤维在20wt%的HF水溶液中浸泡24h后，采用抽滤的方式将产物水洗至中性，在100°C下放置24h烘干，最终得到具有高比表面积的多孔纳米炭纤维其扫描电镜照片如图1所示，氮吸附测试表明其比表面积为1841m2/g，孔体积为0.85cm3/g。实施例4:将甲基苯酚、甲醛溶和催化剂乙胺，酚和醛的摩尔比为:1:0.7,调节pH到12,升温至70 °C，恒温80min;反应结束后将产物冷却至室温，用HC1溶液将pH调节至中性，在55°C对产物进行减压蒸馏除去产物中的水分，将得到的酚醛树脂配制成20%的乙醇溶液。将30g正硅酸丁酯和70g无水乙醇混合，并加入5gHCl溶(2m〇L/L)，在40°C水浴下搅拌 5h。然后加入50g酚醛树脂乙醇溶液(20wt % )，继续搅拌2h。接着加入50g聚乙烯缩丁醛乙醇溶液(30wt % )，搅拌2h，得到混合均匀的纺丝原液纺丝参数为:原液流速为3ml/h，施加电压为20Kv，纺丝距离为20cm。将得到的初纺纤维在空气中静置24h，然后在100°C下固化lh，得到固化纤维。将固化纤维置于管式电阻炉中，在氮气保护下升温至800°C，并恒温lh，得到炭纤维。将得到的纳米炭纤维在20wt %的HF水溶液中浸泡24h后，采用抽滤的方式将产物水洗至中性，在KKTC下放置24h烘干，最终得到具有高比表面积的多孔纳米炭纤维。其扫描电镜照片如图1所示，氮吸附测试表明其比表面积为2164m2/g，孔体积为1.01cm3/g。
【主权项】
1.一种具有高比表面积的纳米炭纤维的制备，其特征在于包括如下步骤:(1)甲阶酚醛树脂的制备:将含羟基酚类及其衍生物与醛溶液和催化剂混合，含羟基酚类及其衍生物和醛的摩尔 比为:1:0.5-1:0.8，调节溶液pH到9-12，升温至70°C，恒温60-80min;反应结束后将产物冷 却至室温，使用HC1溶液将pH调节至中性，在50-60°C对产物进行减压蒸馏除去产物中的水 分;将得到的酚醛树脂配制成20-40 %的乙醇溶液；(2)纺丝原液的配制:将含硅有机物和无水乙醇溶于乙醇，调整浓度为5-30%，并加入2-5%HCl溶液(2M)，搅 拌2-4h;然后加入10-30%的酚醛树脂乙醇溶液，调整酚醛树脂和含硅有机物的质量比为2: 1-1:3，搅拌2-4h;然后加入高聚物调节纺丝液浓度，搅拌2-5h，高聚物的浓度为5-10% ;(3)静电纺丝:将纺丝原液在空气中静置2-10h后进行纺丝，得到初纺纤维；纺丝参数为:纺丝电压区 间为15-25KV，纺丝距离为15-30cm，挤出速率为l-5mL/h;(4)初纺纤维的固化:将初纺纤维在空气中静置1-5天，在100-150 °C下固化l_3h;(5)纤维的炭化:在惰性气体保护下，以l_3°C/min升温至500°C，恒温30_60min，再以l_5°C/min升温至 700-900。(:，恒温60-180min;(6)酸洗处理:将得到的产物置于10-30 %的酸溶液中24-72h，然后水洗至中性，得到产物。2.如权利要求1所述的一种具有高比表面的纳米炭纤维的制备方法，其特征在于所述 的催化剂为NaOH、KOH、NH3 ? H20、Na2C03、K2C03以及Ca(OH)2、Ba(OH)2、乙胺、乙二胺等。3.如权利要求1所述的一种具有高比表面的纳米炭纤维的制备方法，其特征在于所述 的含羟基酚类及其衍生物选自苯酚、甲基苯酚、二甲基苯酚、间苯二酚以及间苯三酚;醛选 自甲醛、乙醛、丁醛和糠醛。4.如权利要求1所述的一种具有高比表面的纳米炭纤维的制备方法，其特征在于所述 的含硅有机物选自正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯等。5.如权利要求1所述的一种具有高比表面的纳米炭纤维的制备方法，其特征在于所述 的高聚物为聚乙烯缩丁醛、聚乙烯缩乙醛或者聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
【文档编号】D01F8/10GK105951218SQ201610263879
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】马昌, 盛杰, 王冉冉, 谢震宇, 张海霞, 史景利
【申请人】天津工业大学