一種具有超雙疏特性的柔性碳纖維的制備方法與流程

本發(fā)明屬于超雙疏材料生產(chǎn)
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：靜電紡絲作為一種低成本且簡(jiǎn)單的方法有望在制備大規(guī)模納米材料方面獲得廣泛應(yīng)用。靜電紡絲制備的碳納米纖維通常具有好的導(dǎo)電性和高的長(zhǎng)徑比，而且可以形成自支撐的無紡布狀結(jié)構(gòu)。碳納米纖維膜（cnfs）具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和催化活性，是近年來世界各國(guó)科研工作者的研究熱點(diǎn)。然而，較差的彎曲性能以及本身的脆性嚴(yán)重限制了其在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來越高，城市建筑在給人們帶來藝術(shù)享受的同時(shí)，它的日常清潔卻存在許多的難題。毫無疑問，自清潔技術(shù)目前已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注。事實(shí)上，大自然已經(jīng)給予人們?cè)S多關(guān)于自清潔的啟示，例如出淤泥而不染的荷葉。然而，這種基于“荷葉效應(yīng)”的超雙疏自清潔表面，目前在國(guó)內(nèi)外尚無實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。影響超雙疏自清潔表面實(shí)用化的原因之一，就是因?yàn)槟壳把兄频拇蠖鄶?shù)自清潔表面只具有超疏水特性（而不能超疏油）；這些超疏水表面對(duì)油不具有排斥力，因此對(duì)于油污等污漬，往往束手無策。因此，具有超雙疏性能的表面越來越受到人們的關(guān)注。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)自清潔材料的需要，本發(fā)明提出一種制備一種具有超雙疏特性的柔性碳纖維的方法。本發(fā)明包括以下步驟：1）將聚丙烯腈和乙酰丙酮錳溶解于n,n?二甲基甲酰胺中，形成均勻的靜電紡絲溶液，通過靜電紡絲技術(shù)，制備得到納米紡絲纖維；2）將納米紡絲纖維先經(jīng)過預(yù)氧化后，再置于氮?dú)夥諊羞M(jìn)行高溫碳化處理，獲得錳摻雜的納米碳纖維；3）將得到的錳摻雜的納米碳纖維放入1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷（pots）的乙醇溶液中浸泡，得到超雙疏柔性碳材料。本發(fā)明通過靜電紡絲技術(shù)，以n,n-二甲基甲酰胺為溶劑，制備了錳摻雜聚丙烯腈的均一納米纖維。然后經(jīng)過高溫碳化處理，制備出具備柔性的納米纖維薄膜碳材料，并借助掃描電鏡碳纖維進(jìn)行表征，可看到纖維表面有一定的粗糙度。將碳纖維放入1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷（pots）的乙醇溶液中浸泡，烘干、冷卻后進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明柔性碳纖維具有一定的超雙疏特性，且在超雙疏領(lǐng)域及自清潔材料中具有重要的應(yīng)用。本發(fā)明方法具有工藝簡(jiǎn)單，紡絲纖維形貌可調(diào)節(jié)，綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。紡絲碳纖維尺寸平均300～450nm，制備的具有超雙疏特性的碳纖維，在不同ph下表現(xiàn)出接觸角約為155°，滾動(dòng)角約4°。對(duì)不同油的接觸角約為152°。本發(fā)明方法制得的具有超雙疏特性的柔性碳纖維具有重量輕、可彎折、易攜帶、生產(chǎn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可擴(kuò)大超雙疏界面材料的應(yīng)用領(lǐng)域，如涂在輪船的外殼、燃料儲(chǔ)備箱上，可以達(dá)到防污、防腐的效果；用于石油管道的運(yùn)輸過程中，可以防止石油對(duì)管道黏附，從而減少運(yùn)輸過程中的能量損耗；用超雙疏材料修飾紡織品；而在建筑和汽車上使用的玻璃要求其必須具備防水、防霧、自清潔和低輻射等功能。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述步驟1）中聚丙烯腈和乙酰丙酮錳的投料質(zhì)量比為2～8∶1。本發(fā)明采用少量的乙酰丙酮錳就可以改善碳纖維形貌。還可通過調(diào)控不同比例的聚丙烯腈與乙酰丙酮錳含量，制備不同程度柔韌性的碳材料。所述步驟1）中，靜電紡絲的電壓為18kv，靜電紡絲溶液的流速為1ml/h，接收距離為17cm。本發(fā)明控制紡絲過程中的電壓，流速，距離等參數(shù)，獲得的紡絲纖維尺寸均一，沒有珠串且直徑分布均勻的紡絲纖維。所述步驟2）中，所述預(yù)氧化的環(huán)境溫度為280℃。預(yù)氧化溫度為280℃時(shí)，碳纖維形貌結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，以利于使pan纖維形成穩(wěn)定的梯形結(jié)構(gòu)，使其能夠承受住后續(xù)的高溫處理。所述步驟2）中，所述碳化的環(huán)境溫度為800℃，碳化的環(huán)境氣氛為氮?dú)?。該溫度條件碳化和氮?dú)鈿夥湛僧a(chǎn)生的特殊優(yōu)良效果：此溫度碳化，碳纖維中仍有一定含氮結(jié)構(gòu)，石墨狀氮的含量不斷增加。氮?dú)獗Ｗo(hù)是使碳纖維主鏈碳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在的重要因素。所述步驟3）中，所述放入pots的乙醇溶液時(shí)，pots溶液的濃度為1wt.%，浸泡時(shí)間為3h，有利于碳纖維和溶液充分接觸，使氟元素結(jié)合到碳纖維表面。本發(fā)明特點(diǎn)：1、少量乙酰丙酮錳的加入可改善納米纖維的形貌，碳化后得到的碳纖維具有很好的柔韌性。選擇合適的預(yù)氧化溫度使纖維形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的梯形結(jié)構(gòu)，以便高溫下碳化。2、制備得到的柔性碳纖維，經(jīng)過1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷（pots）處理后，可得到具有超雙疏特性的柔性碳材料。附圖說明圖1為靜電紡絲取得的錳摻雜聚丙烯腈碳納米纖維的sem電鏡圖。圖2為含氟溶液處理后的碳納米碳纖維xps譜圖。圖3為不同ph的接觸角測(cè)試圖。圖4為不同油的接觸角測(cè)試圖。具體實(shí)施方式一、制備納米紡絲纖維：按下表比例，將不同質(zhì)量比的聚丙烯腈、乙酰丙酮錳溶解于一定量的dmf溶劑中，充分?jǐn)嚢?0h，分別得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的多份靜電紡絲溶液，然后分別進(jìn)行靜電紡絲。以下表格表示聚丙烯腈和乙酰丙酮錳的投料比示例：（單位：mg）聚丙烯腈乙酰丙酮錳dmf溶劑例1120015010800例2120036010800例3120060010800用注射器吸取適量的靜電紡絲溶液，并在其頂端裝上紡絲針頭，與電源正極相連。用鋁箔接收，作為負(fù)極與接收板相連。紡絲液的流速即注射器的推進(jìn)速度由微量注射泵控制，直至針頭有穩(wěn)定液滴出現(xiàn)，施加高壓，控制電壓為18kv，流速為1ml/h，紡絲頭與接收器之間的距離為17cm，即可得到連續(xù)的納米紡絲纖維。二、制備錳摻雜的納米碳纖維：將裝有納米紡絲纖維的剛玉舟置于自動(dòng)控溫管式爐中心，保持石英管兩端與大氣相通，先在升溫速率為2℃/min條件下升溫至280℃保溫120min進(jìn)行預(yù)氧化，隨后密封管式爐，在氮?dú)夥諊?，?℃/min升溫速率升溫至800℃，保持120min進(jìn)行碳化，自動(dòng)降溫至室溫，即獲得錳摻雜的納米碳纖維。如圖1所示，制備的碳納米紡絲纖維連續(xù)性好，表面粗糙，有納米顆粒出現(xiàn)。三、pots處理：將碳化后取得的錳摻雜的碳納米碳纖維放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1wt.%的ptos的乙醇溶液中，在室溫條件下浸泡3h，置于80℃的烘箱中干燥12h，冷卻后得到具有超雙疏特性的柔性碳纖維。如圖2所示，從xps全譜圖可知，氟元素信號(hào)很明顯，表明氟元素有效結(jié)合到碳纖維表面。四、接觸角和滾動(dòng)角測(cè)試：（1）不同ph的接觸角測(cè)試：靜態(tài)接觸角是在視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x下進(jìn)行的，將5μl不同ph液滴滴到處理后的碳纖維表面，如圖3所示，通過測(cè)量纖維表面四個(gè)不同位置的接觸角，求取平均值，得到接觸角（ca）約為155°。（2）不同ph的滾動(dòng)角測(cè)試：滑動(dòng)角度由是指液滴在傾斜的碳纖維面上剛好發(fā)生滾動(dòng)時(shí)，傾斜表面與水平面所形成的臨界角度確定，約為4°。（3）不同油的接觸角測(cè)試：靜態(tài)接觸角是在光學(xué)接觸角測(cè)量下進(jìn)行的，將5μl不同種類的油滴到處理后的碳纖維表面，如圖4所示，通過測(cè)量纖維表面四個(gè)不同位置的接觸角，求取平均值，得到接觸角約為152°。當(dāng)前第1頁12