[发明专利]一种低体积收缩碳纳米纤维气凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种低体积收缩碳纳米纤维气凝胶的制备方法，包括静电纺制备聚合物纳米纤维；然后进行稳定化和炭化处理得到碳纳米纤维；通过匀浆分散制备碳纳米纤维水分散液，随后将碳纳米纤维分散液进行冷冻成型并冷冻干燥，得到气凝胶；随后进行热交联和热解处理或仅进行热解处理即得。本发明采用先炭化后热解和助剂辅助调控方法，得到的气凝胶材料具有良好的力学性能和低体积收缩率，极大的改善了传统静电纺丝制备的碳纳米纤维气凝胶高脆性和高体积收缩的问题。

技术领域

本发明属于纳米纤维气凝胶领域，特别涉及一种低体积收缩碳纳米纤维气凝胶的制备方法。

背景技术

碳纳米纤维气凝胶指一种三维轻质固体材料，具有低密度、高比表面积以及优异的导电性的特点，可应用于传感、吸附处理、催化载体等领域，但其高脆性和高体积收缩的缺点制约着其进一步应用。目前碳纳米纤维气凝胶的制备方法主要包括：三维生物质材料直接炭化、二维材料的自组装、基于静电纺纳米纤维间的热处理胶合以及前驱体材料的原位包覆。但无论采用那种方法，制备的气凝胶均存在脆性大和高体积收缩率的问题。

静电纺丝技术可简单快速地制备连续的纳米纤维，可根据原材料的选择复配和纺丝参数的调控得到不同组成和不同结构的一维纳米纤维或二维纳米纤维膜。目前，基于静电纺丝法制备的PAN基碳纳米纤维气凝胶，多采用静电纺-稳定化-冷冻干燥-炭化的工艺得到，存在脆性大和体积收缩较大的问题，不利于其进一步应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低体积收缩碳纳米纤维气凝胶的制备方法，该方法参数工艺可控，材料微观/宏观结构可调，气凝胶力学性能优异，体积收缩率低。

本发明提供了一种低体积收缩碳纳米纤维气凝胶的制备方法，包括：

(1)配制聚合物纺丝前驱体溶液，静电纺丝得到聚合物纳米纤维膜；

(2)将聚合物纳米纤维膜进行稳定化处理和炭化处理，得到碳纳米纤维膜；

(3)将上述碳纳米纤维膜分散在水中，加入助剂再匀浆分散，得到碳纳米纤维分散液；其中，所述助剂包括碳材料、胶接剂和交联剂；

(4)将碳纳米纤维分散液进行冷冻成型并冷冻干燥，得到气凝胶；随后进行热交联和热解处理或仅进行热解处理，得到低体积收缩碳纳米纤维气凝胶。

所述步骤(1)中的聚合物为聚羟基丁酸-戊酯PHBV、聚乙烯醇PVA、聚酰胺酸PAA、可溶性聚酰亚胺PI、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚乙烯醇缩丁酯PVB、聚乙烯吡咯烷酮PVP、聚苯乙烯PS、聚丙烯腈PAN、聚己内酯PCL、聚乳酸PLA、聚偏氟乙烯PVDF中的一种或几种；前驱体溶液采用的溶剂为三氯甲烷、水、乙醇、N,N-二甲基乙酰胺、丙酮、氯仿、二氯甲烷、环己烷、N,N-二甲基甲酰胺、六氟异丙醇、四氢呋喃、甲苯中的一种或几种。

所述步骤(1)中的聚合物纺丝前驱体溶液质量浓度为5-20％。

所述步骤(1)中的静电纺丝工艺参数为：静电纺丝电压为15～25kV，纺丝液浓度为6wt％～15wt％，喷丝头和接收端的距离为8cm～20cm，纺丝环境温度为15℃～45℃，纺丝环境湿度为25％～50％，纺丝液的推进速率为10～20μL/min。

所述步骤(2)中的稳定化处理工艺参数为：稳定化温度为240℃～300℃，稳定化时间30min～300min。

所述步骤(2)中的炭化处理工艺参数为：炭化温度为800℃～2000℃，炭化时间为30min～300min，炭化气氛为氮气或氩气，升温速率为1℃/min～10℃/min，降温速率为1℃/min～5℃/min。