[发明专利]一种铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料及其制备方法，属于生物质炭制备技术领域。本发明采用木质素为原料制备炭纤维材料，木质素来源广泛、价格低廉，可显著降低炭纤维材料的制备成本；本发明通过加入高铁酸钾，在碳化过程中高铁酸钾可使炭纤维材料具有柔性；加上静电纺丝技术所得炭纤维材料具有网格结构，可使铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料直接作为柔性电极材料。

技术领域

本发明涉及生物质炭技术领域，尤其涉及一种铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料及其制备方法和应用。

背景技术

炭纳米纤维常用的制备方法有气相沉积、激光汽化、模板法等，但这些制备方法较为复杂且成本较高，不适合大规模生产。静电纺丝技术可以通过设计纺丝装置，调控纺丝前驱液的浓度，结合超声磁力搅拌促进纳米颗粒均匀分散以及高温热解等参量调控，能够有效制备得到炭基纤维复合材料，该方法可以制备连续的纳米纤维，而且操作简便、环境友好，已用于生产直径从几十纳米到几微米的各种形式的各种聚合物的纳米纤维。而且，静电纺丝纳米纤维具有良好特性，可拥有极限长度、高比表面积、可调节的孔隙率、特殊的形貌和功能特性。

目前采用静电纺丝技术制备炭纳米纤维，一方面原料成本高，另一方面生产的炭纤维材料脆性高，限制了炭纤维在柔性器件中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料及其制备方法和应用，采用本发明的方法制备炭纤维材料，原料来源广泛、价格低廉，且制备的炭纤维材料具有良好的柔性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料的制备方法，包括以下步骤：

将木质素、聚乙烯吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺和高铁酸钾混合，得到纺丝液；

将所述纺丝液进行静电纺丝，得到木质素基纤维膜；

将所述木质素基纤维膜在空气氛围下进行预氧化，得到氧化纤维膜；

将所述氧化纤维膜进行碳化，得到铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料。

优选的，所述木质素和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(7:3)～(1:1)。

优选的，所述木质素和聚乙烯吡咯烷酮的总质量为木质素、聚乙烯吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺总质量的20～25％。

优选的，所述高铁酸钾的质量为所述纺丝液质量的1～7％。

优选的，所述静电纺丝的距离为10～20cm，纺丝电压为15～30kV，纺丝速度为0.02～0.03mm·min^-1。

优选的，所述预氧化的过程包括：将所述木质素基纤维膜以0.1～0.5℃·min^-1的速率升温到150℃，保温1h，然后以0.1～0.5℃·min^-1的速率升温到250℃，保温1h。

优选的，所述碳化的温度为700～900℃，保温时间为1h；所述碳化在氮气保护下进行。

本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料。

本发明提供了上述方案所述铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料在制备电极材料中的应用。

本发明提供了一种铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料的制备方法，包括以下步骤：将木质素、聚乙烯吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺和高铁酸钾混合，得到纺丝液；将所述纺丝液进行静电纺丝，得到木质素基纤维膜；将所述木质素基纤维膜在空气氛围下进行预氧化，得到氧化纤维膜；将所述氧化纤维膜进行碳化，得到铁掺杂木质素基柔性炭纤维材料。