[发明专利]一种高比表面积木质素纳米炭纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种高比表面积木质素基纳米炭纤维的制备方法，采用了来源广泛，资源可再生，碳含量高、价格低廉的木质素作为碳源，以具有较高分子量的聚合物作为纺丝助剂，通过向原液中添加无机金属盐和含硅有机物得到纺丝原液。采用静电纺丝技术制备出具有纳米初纺纤维，再经预氧化、炭化、酸洗等过程，制备出具有高比表面积的木质素基纳米炭纤维。该方法具有工艺简单，可操作性强，来源广泛，廉价等优点，所得纳米炭纤维为连续纤维，纤维形态良好，可以通过对致孔剂添加量的控制来实现对比表面积的调控并获得高比表面积。

技术领域：

本发明涉及纳米炭纤维及其制备，尤其是涉及一种高比表面积木质素基纳米炭纤维。

背景技术：

炭纤维由于其具有良好的导电性、物力化学性质稳定、高温稳定性和易于成型等优良的特性，被广泛应用于超级电容器、电催化、电容脱盐、吸附剂和储氢等领域。

木质素是一种具有生物活性的天然高分子，其来源广泛、资源可再生、碳含量高、价格低廉，已被人们广泛认知与利用。目前制备木质素基纳米炭纤维的主要方法是熔融离心纺丝法和静电纺丝法。熔融离心纺丝法是某些聚合物熔体借助高速旋转的装置所产生的离心力和剪切力由细孔甩出而成纤的方法。所得纤维长度(5～300mm)和直径(10～35μm)不一，可直接铺成毡片。然后将纳米丝进行炭化从而形成炭纤维。静电纺丝法是静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”)，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝，然后经过预氧化和炭化得到纳米炭纤维。但是，上述方法得到的炭纤维比表面积都都比较小，这就使其在超级电容器、电催化、电容脱盐、吸附剂和储氢领域的应用受到了一定的限制。例如专利CN 107699985 A公布了一种木质素基多孔炭纤维的制备方法，其通过在硅酸钠水溶液中交替加入纯化木质素和硅藻酸钠，然后减压旋蒸后得到纺丝液，通过熔融离心纺丝得到纳米纤维，然后通过炭化、酸洗得到纳米炭纤维，其比表面积为600m²/g。

针对上述问题，本发明公开了一种高比表面积木质素基纳米炭纤维的制备方法，采用了来源广泛，资源可再生，碳含量高、价格低廉的木质素作为碳源，以具有较高分子量的聚合物作为纺丝助剂，通过向原液中添加无机金属盐和含硅有机物得到纺丝原液。采用静电纺丝技术制备出具有纳米初纺纤维，再经预氧化、炭化、酸洗等过程，制备出具有高比表面积的木质素基纳米炭纤维。该方法具有工艺简单，可操作性强，来源广泛，廉价等优点，所得纳米炭纤维为连续纤维，纤维形态良好，可以通过对致孔剂添加量的控制来实现对比表面积的调控，表现出较好的电容特性，具有广阔的市场应用前景。

发明内容：

本发明的目的在于制备高比表面积木质素基纳米炭纤维，提供一种采用静电纺丝技术，并利用模板法制备高比表面积的木质素基纳米炭纤维的方法，解决木质素基纺丝原液的调配(尤其是模板剂的选择)、纤维热处理等关键技术。用此方法制备的木质素基纳米炭纤维直接成膜，纤维直径分布均一，比表面积较高，纤维膜柔韧性良好。

一种高比表面积木质素基纳米炭纤维的制备方法，采用以下步骤：(1)将木质素与致孔剂按照一定的质量比溶于有机溶剂中，在室温下搅拌半小时，再加入一定量的纺丝助剂，在室温下搅拌4小时得到透明溶液；(2)以所得透明溶液为纺丝液，在纺丝液流速为0.5ml/h，施加的电压为10kV，接收距离为15cm 的条件下进行静电纺丝，制得纳米纤维薄膜；(3)将所得纳米纤维薄膜在空气气氛下进行预氧化，然后在惰性气体气氛下800℃处理2h，待冷却至室温，得到复合纤维薄膜；(4)将得到复合纤维薄膜置于20％的盐酸溶液中静置48h，然后水洗至滤液为中性，得到高比表面积纳米炭纤维。