[发明专利]一种多孔碳化硅纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅纤维的制备方法，特别是涉及一种多孔碳化硅纳米纤维的制备方法。

背景技术

多孔碳化硅具有比表面积大、密度低、耐高温、耐腐蚀等特点，在高温过滤(如柴油和熔融金属过滤)、高温催化、催化剂载体、隔热隔声、气体分离和化学传感器等领域有着广泛的应用前景。目前，不同多孔碳化硅形态，如块体、气凝胶、纳米管、纳米线、泡沫陶瓷和纳米晶须等均有报道，制备多孔碳化硅的方法也有很多，如电化学刻蚀、溶胶凝胶法、碳热还原法、化学气相渗透和纳米铸造法等。而对于碳化硅纤维的研究主要集中在熔融纺丝法制备微米级高强度碳化硅纤维，多孔碳化硅纤维的相关报道较少，特别是纳米级的多孔碳化硅纤维还未见报道。

静电纺丝是依靠几千到几万伏的高压静电拉伸来制备纳米纤维的有效方法，除具备设备简单、造价低和适用性广等优点以外，还具有以下优点：(1)可获得长径比更大的纳米纤维（长度甚至可达米级）；（2）由于纺丝时溶剂快速蒸发等原因，制备的纳米纤维一般为多孔，其比表面积比传统膜高1~2个数量级；（3）在制备纳米纤维的同时，通过接受体或电场模式的设计和控制，可以对所制备超细纤维的形态结构进行控制。采用静电方法也便于实现纳米纤维的规模化生产。最近，Huilin Hou等人以聚硅氮烷(polyureasilazane)和聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone)为原料，采用静电纺丝法制备出多孔碳化硅纤维，但其所制备出的碳化硅纤维平均直径为1.5μm，没有达到纳米尺度。CN101876095A公开了一种碳化硅纤维的制备方法，利用沉淀分级原理，采用静电纺丝法可纺制极稀聚碳硅烷悬浊液，将得到的聚碳硅烷原丝经不融化交联处理和高温烧成后可得到多孔碳化硅超细纤维，纤维直径为0.5~2μm，但极稀溶液纺丝纤维收率低，不适于规模化制备。CN1033434225A公开了采用良溶剂与非溶剂作为混合溶剂，以碳化硅陶瓷先驱体含硅聚合物为原料，通过静电纺丝法得到柔性多孔碳化硅纤维。但同样所制备的碳化硅纤维平均直径为0.5~3μm，很难实现多孔碳化硅纳米纤维的制备；并且CN101876095A和CN1033434225A都以先驱体含硅聚合物为原料，而由于先驱体含硅聚合物的分子量一般较低，在静电纺丝过程中纺丝性较差，得到的纤维直径也不均匀。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种多孔碳化硅纳米纤维的制备方法，所制备的多孔碳化硅纤维直径达到纳米水平。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种多孔碳化硅纳米纤维的制备方法，是以纳米碳纤维前驱体聚合物为原料，将一定量的前驱体聚合物溶解于溶剂中，经静电纺丝、预氧化交联、高温烧成制成纳米碳纤维，进而将纳米碳纤维与硅粉在高温条件下进行碳热还原制得的产品。

具体包括以下步骤：

（1）配制纺丝溶液：将纳米碳纤维前驱体聚合物溶解于溶剂中配制成均相纺丝溶液，所述纳米碳纤维前驱体聚合物在均相纺丝溶液中的浓度为5wt% ~50wt%；

（2）静电纺丝：将步骤（1）所得均相纺丝溶液进行静电纺丝，静电纺丝所用的喷头是内径大小为0.5~1.5mm的金属针头，纺丝电压12 kV ~30kV，接收距离（针尖到接收屏的垂直距离）15~25cm，供料速率5~30μl/min，纺丝温度为10~60℃，空气相对湿度为20RH% ~ 80RH%；在电场力作用下，纺丝溶液逐渐牵伸细化，同时溶剂挥发，形成聚合物纳米纤维收集在接收器上；

（3）预氧化交联：将步骤（2）得到的聚合物纳米纤维置于氧化炉中，以0.1~10℃/min（优选1~5℃/min）的升温速率升温至200~300℃，保温0.5~5h（优选1~3h），进行预氧化交联，冷却至室温后得到不熔化纳米纤维；

（4）高温烧成：将步骤（3）得到的不熔化纳米纤维在惰性气氛保护下，以1~10℃/min的升温速率升温到600~2500℃（优选1000~1800℃，更优选1400~1600℃），保温时间为0.5~3h（优选1~2h），高温热解，得到纳米碳纤维；

（5）碳热还原：将步骤（4）得到的纳米碳纤维与硅粉（所述硅粉与纳米碳纤维的摩尔比大于1:1）一起放入刚玉坩埚中，在流量为0.1~1.0 L/min的惰性气氛保护下，以3~10℃/min的升温速率加热至1250~1600℃，保温时间为1~10h，进行碳热还原反应，得多孔碳化硅纳米纤维。

进一步，步骤（1）中，所述纳米碳纤维前驱体聚合物为聚丙烯腈、酚醛树脂、沥青中的至少一种。