[发明专利]杂化碳纳米纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，具体为一种杂化碳纳米纤维及其制备方法。

背景技术

直径在10nm-500nm之间的碳纳米纤维是一种新的纳米材料，其除了具备一般碳纤维的特性，如低密度、高比强度、高比模量、高导电和导热等性能外，还具有缺陷数量少、比表面积大、结构致密等优点。静电纺丝技术始于上个世纪30年代，是制备纳米纤维膜的主要方法之一。由静电纺丝技术制备的碳纳米纤维薄膜在催化剂、电极材料、吸附材料、分离材料、复合材料、储氢材料等领域具有良好的应用前景。

但是碳纳米纤维在空气中的安全使用温度为300℃，限制了碳纳米纤维膜在苛刻条件下的潜在应用。为了改善碳纤维的抗氧化性，许多科技人员采取在碳纤维表面形成抗氧化涂层保护的办法，但是涂层容易形成纤维与纤维之间的粘接，影响纤维材料的机械性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种杂化碳纳米纤维及其制备方法。

本发明提供的杂化碳纳米纤维，为含有Si、B和N元素中至少两种的杂化碳纳米纤维。

上述纤维中，所述元素在所述杂化碳纳米纤维中均匀分布；

所述杂化碳纳米纤维具体为含有Si、B和N元素的杂化碳纳米纤维或含有B和N元素的杂化碳纳米纤维；

所述杂化碳纳米纤维的直径为100-200nm；具体为100-150nm或150-200nm或150nm；

所述Si在所述杂化碳纳米纤维中的质量百分含量为1-20％，优选3-15％；具体为7％或15％或7-15％；

所述B在所述杂化碳纳米纤维中的质量百分含量为0.5-20％，优选1-15％；具体为2％或7％或5％或8％或2-8％或2-7％或2-5％或5-7％或5-8％或7-8％；

所述N在所述杂化碳纳米纤维中的质量百分含量为1-20％，优选3-15％，具体为5％或9％或11％或10％或5-10％或5-11％或5-9％或9-11％或9-10％或10-11％。

本发明提供的制备所述杂化碳纳米纤维的方法，包括如下步骤：将杂化的聚丙烯腈纤维原丝依次进行不熔化和碳化，得到所述杂化碳纳米纤维。

上述方法所述不熔化步骤的条件为：从室温以1～3℃/min(具体为2℃/min或1-2℃/min或2-3℃/min)升温速度升到200～300℃(具体为250℃或250-300℃)，保温1～2h；

所述碳化步骤的条件为：由所述不熔化步骤的终温以3～4℃/min升温速度升到800～900℃，保温2h，然后以4℃/min的速度降温到室温。

所述不熔化和碳化步骤均在惰性气氛中进行；所述惰性气氛具体为氮气气氛。

所述杂化的聚丙烯腈纤维原丝按照包括如下步骤的方法制备而得：将聚丙烯腈和陶瓷前驱体，溶于有机溶剂中混匀得到电纺液后进行电纺，得到所述杂化的聚丙烯腈纤维原丝。

所述聚丙烯腈的重均分子量为100000～300000，具体为150000或100000-150000或150000-300000；

所述陶瓷前驱体选自SiBCN前驱体和BN前驱体中的至少一种；

所述有机溶剂选自N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、氯仿和二氯甲烷中的至少一种。

所述SiBCN前驱体的数均分子量为500～3000，具体为1400或1650或1400-1650；所述BN前驱体的数均分子量为100～1000，具体为167或209或167-209。

具体的，所述BN前驱体为式II所示化合物，

式II

所述式II中，R为甲基或二乙基或烯丙基或间乙炔基苯氨基；

所述有机溶剂选自N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、氯仿和二氯甲烷中的至少一种。

所述聚丙烯腈和陶瓷前驱体的质量比为100∶5～100∶30；具体为100∶6或100∶20或100∶23或100∶6-23或100∶20-23或100∶6-20；

所述聚丙烯腈和陶瓷前驱体总重占所述电纺液的质量百分浓度为7-20％或7-15％或15-20％；