[发明专利]一种具有磁性的苯并噁嗪基碳纳米纤维材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有磁性的苯并噁嗪基碳纳米纤维材料的制备方法，属于功能纳米材料技术领域。

背景技术

近年来，活性纳米碳纤维因其超高的比表面积、可控的微介孔结构和良好的物理性能在环境、能源等重要领域的潜在应用价值越来越受到广泛关注，其中酚醛基活性碳纤维较之其他活性碳纤维相比具有较高的碳化收率、比表面积和导电性能等优点，苯并噁嗪作为一种新型的酚醛材料，其特殊的开环聚合机理可有效改善传统酚醛树脂缩聚固化可控性差的缺点，而且分子结构设计的灵活性可实现对其物性的有效调控，在许多领域有望代替传统的酚醛树脂材料，已有研究表明苯并噁嗪基的碳纳米纤维在水污染处理方面具有非常好的效果。

但在实际处理过程中由于苯并噁嗪基碳纳米纤维体积小、质轻易分散等特点，导致使用后难以对其进行集中回收，不仅造成了纤维材料的浪费，而且对环境还形成了二次污染。使用具有磁性的活性纳米碳纤维可以实现其在被吸附介质中的快速相分离，是解决当前苯并噁嗪基碳纤维在环境保护领域应用问题的一条有效途径。目前还没有涉及水体污染物吸附磁性碳纤维材料的公开专利技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有磁性的苯并噁嗪基碳纳米纤维材料的制备方法，以解决上述苯并噁嗪基碳纳米纤维难以回收利用的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种具有磁性的苯并噁嗪基碳纳米纤维材料的制备方法，采用静电纺丝的方法将磁性物质的前驱体溶液、苯并噁嗪单体以及高分子聚合物模板进行混纺制备杂化纳米纤维，在后续的碳纤维制备过程中实现了磁性物质在纤维材料中的原位生长，从而克服磁性材料在纤维载体中难以均匀分布的问题。通过简易的工艺就可以获得结构均匀、比表面积大、孔隙率高且具有良好磁性的活性碳纳米纤维。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种具有磁性的苯并噁嗪基碳纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步：在室温下，将1-30重量份的苯并噁嗪单体和0.1-5重量份的固化催化剂溶解在装有10-300重量份的溶剂的搅拌釜中，搅拌转速为50-300rpm，搅拌时间为5-30min，得到质量浓度为1-25％的苯并噁嗪溶液；

第二步：在室温下，将1-50重量份的混纺聚合物加入到第一步得到的苯并噁嗪溶液中搅拌混合，搅拌转速为600-1000rpm，搅拌时间为1-3h，得到混纺聚合物质量浓度为5-35％的溶液；

第三步：在室温下，将含铁化合物加入到第二步得到的溶液中搅拌混合，含铁化合物的质量为苯并噁嗪单体质量的15-30％，搅拌转速为500-1500rpm，搅拌时间4-12h，得到混合溶液；

第四步：在室温和相对湿度为20-60％的条件下，将第三步得到的混合溶液以0.1-3mL/h的流速输入到静电纺丝设备的喷丝头上，同时将喷丝头连接10-40kV电源进行静电纺丝制备苯并噁嗪复合纳米纤维膜，接收装置与喷丝头之间的距离为5-30cm；

第五步：将第四步所得苯并噁嗪复合纳米纤维膜在100-300℃空气氛围中进行固化处理，将固化后的苯并噁嗪复合纳米纤维膜置于质量浓度为10-30％的氢氧化钾溶液中浸泡30-120min，取出后在真空烘箱中进行干燥，干燥温度为60-120℃，干燥时间为30-240min，得到预处理好的苯并噁嗪复合纳米纤维膜；

第六步：将第五步预处理好的苯并噁嗪复合纳米纤维膜置于真空管式炉中，在氮气气氛保护下升温进行碳化处理，升温速率为2-10℃/min，碳化温度为600-1600℃，恒温时间为50-200min，碳化过程结束后降温至室温，用0.5-1.5摩尔/升的盐酸溶液酸化处理5-30min，再用去离子水清洗，放入真空烘箱进行干燥，干燥温度为60-120℃，干燥时间为30-240min，即得到具有磁性的苯并噁嗪基碳纳米纤维材料。

所述第一步中的苯并噁嗪单体为双酚A-苯胺型、双酚A-2，6-二氟苯胺型、苯酚-间三氟甲苯胺型、双酚AF-4-氟苯胺型、萘酚-苯胺型、苯酚-苯胺型、双酚AF-苯胺型、双酚AF-间三氟甲苯胺型、萘酚-4-氟苯胺型、苯酚-2，6-二氟苯胺型和萘酚-间三氟甲苯胺型中的至少一种。

所述第一步中的固化催化剂包括苯甲酸、己二酸、草酸、苄胺和咪唑中的至少一种。

所述第一步中的溶剂包括甲酸、六氟异丙醇、N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜、三氯甲烷、二氯甲烷、苯、甲苯和二甲苯中的一种或两种以上的混合物。