本发明专利技术属于碳吸附材料技术领域，具体为一种聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料及其制备方法。本发明专利技术的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料以静电纺聚丙烯腈纳米纤维和水溶性聚酰胺酸为原料，其制备过程包括：首先利用静电纺丝技术制备聚丙烯腈纳米纤维，然后通过一步预氧化得到预氧化的聚丙烯腈纳米纤维，进而借助高速搅拌将静电纺聚丙烯腈纳米纤维和水溶性聚酰胺酸均匀分散，通过冷冻干燥技术、热亚胺化和高温碳化技术制备复合碳气凝胶。本发明专利技术所制得的碳气凝胶吸附材料孔径分布均一、比表面积大、强度高、密度小，是一类性能优异的吸附材料，可被广泛应用于污水处理、空气洁净等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳吸附材料
，具体涉及一种聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料及其制备方法，所述的碳气凝胶吸附材料孔径分布均一、比表面积大、强度高、密度小，是一类性能优异的吸附材料，可被广泛应用于污水处理、空气洁净等领域。
技术介绍
近年来，日益加剧的空气污染、水污染、土壤污染使人们的环境保护意识不断增强，尤其在PM2.5概念的普及化后，材料研发者纷纷投入到寻找、制备用于环境保护和治理的新材料的行动中。其中，吸附材料具有高比表面积、高孔隙率、结构可控等优点，在污水处理、空气洁净等领域有着十分广泛的应用。活性炭是目前主要的市售吸附材料之一，但由于其内部结构致密，吸附量相对较低。因此，开发内部更加疏松多孔、孔隙率更大的碳材料是当前研究的热点和难点。碳气凝胶是近年发展起来的一类综合性能优异的碳吸附材料。研究发现，碳气凝胶的性能与其内部的多孔结构密切相关，如何通过对材料的微观结构进行合理设计和调控是进一步提升碳气凝胶综合性能的关键。然而，目前大多数碳气凝胶的微观结构仍比较单一，如：单纯由一维碳纤维构成的碳纤维气凝胶、由二维石墨烯组成的石墨烯碳气凝胶等。因此，如何将不同维度的纳米材料（如一维碳纤维、二维片状碳）进行高效复合是制备高性能碳气凝胶的重要发展方向之一。因此，本专利技术以静电纺聚丙烯腈一维纳米纤维和水溶性的聚酰胺酸高分子为前驱体，通过预氧化、高速搅拌、冷冻干燥、热亚胺化、碳化等工艺过程，成功制备了一种由一维碳纳米纤维和二维片状碳所构成的碳气凝胶材料。该聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料主要具有如下优势：（1）该碳气凝胶吸附材料制备过程中所用的主要溶剂为水，因此该工艺对环境基本不产生污染；（2）该碳气凝胶吸附材料由二维片状碳和一维碳纳米纤维所构成，且碳纳米纤维横穿于二维片状碳之间，起到了相互支撑的作用，这不仅大大提高了材料整体的力学性能，而且这种特殊结构的存在也提升了材料整体的“虹吸效应”、使得该碳气凝胶的吸附性能较大多数单一组分碳气凝胶材料而言得到了大幅度的提升。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备过程环境友好、性能优异的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料及其制备方法。本专利技术提出的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料的制备方法，具体步骤如下：（1）在搅拌下，配制一定浓度的聚丙烯腈（PAN）纺丝液；（2）通过静电纺丝法，制备PAN纳米纤维；（3）在空气条件下程序升温，对步骤（2）制备的PAN纳米纤维进行预氧化，得到表面具有含氧官能团的亲水性预氧化聚丙烯腈（记为o-PAN）纳米纤维；（4）将步骤（3）的o-PAN纳米纤维分散于去离子水中，高速搅拌后得到均匀分散的分散液；（5）将水溶性聚酰胺酸（PAA）溶解在去离子水中，搅拌后得到聚酰胺酸溶液；（6）将步骤（4）和步骤（5）的溶液混合后，进一步高速搅拌得到均匀分散的o-PAN纳米纤维和PAA的共混分散液；（7）将步骤（6）所得的分散液在冰箱或液氮中冷冻为固体，随后在冷冻干燥机中冷冻干燥，得到聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸气凝胶，记为o-PAN/PAA；（8）利用程序升温过程，将步骤（7）所得的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸气凝胶进行热亚胺化和碳化，得到聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶，记为oP。本专利技术步骤（1）中，聚丙烯腈纺丝液所用的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，浓度（质量分数）为10%~15%。本专利技术步骤（2）中，所述的静电纺丝工艺参数为：电压为15~20 kV，所用纺丝容器为针孔直径为0.5 mm的5 mL塑料注射器，流速为0.2~0.3 mm/min，接收距离为10~20 cm。本专利技术步骤（3）中，所述的程序升温速率为1~2℃/min，升至平台温度230~280℃后保持1.5-2.5 h（优选保持2 h）。本专利技术步骤（4）中，对预氧化的聚丙烯腈纳米纤维的高速搅拌借助型号为IKA T25的匀浆机实现，搅拌速度15000~21000 r/min，优选搅拌速度为18000 r/min，搅拌时间为20~40 min，优选搅拌时间为30 min。本专利技术步骤（5）中，所述的水溶性聚酰胺酸的制备方法同专利CN104355302A。本专利技术步骤（5）中，所述的合成聚酰亚胺的二元胺单体包括对苯二胺（PPDA）、4,4′二胺基二苯醚（ODA），二元酐单体包括均苯四甲酸二酐（PMDA）、联苯四羧酸二酐（BPDA）、或二苯醚四羧酸二酐（ODPA）。本专利技术步骤（5）中，所述的合成聚酰亚胺的极性溶剂包括N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺。本专利技术步骤（6）中，所述的分散液总固含量为2~4%，且PAA的质量分数为35~100%（优选35~95%）。本专利技术步骤（8）中，所述的热亚胺化过程为：将得到的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸气凝胶在氮气氛围中程序升温，具体参数如下：以1.5-2.5℃/min的升温速率（优选2℃/min的升温速率）从室温升至300 ℃，并分别在100 ℃，200 ℃， 300 ℃ 保持0.5 h，0.5 h，1 h后自然降至室温。本专利技术步骤（8）中，所述的碳化过程为：将经过热亚胺化后的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸气凝胶在氮气氛围中程序升温，具体参数如下：以4-6℃/min的升温速率（优选5℃/min的升温速率）从室温升温至800~1400℃，保持0.5~2h，然后自然降至室温。附图1为聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶的制备过程示意图。本专利技术制备的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶材料，孔径分布均一、比表面积大、强度高、密度小，是一类性能优异的吸附材料，可被广泛应用于污水处理、空气洁净等领域。使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子天平来表征本专利技术所获得的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料的结构形貌和吸附性能，其结果如下：（1）SEM测试结果表明：本专利技术中所制备的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶由一维碳纳米纤维和二维片状碳所构成，呈现出多孔结构，并且孔洞之间相互连通、内部有碳纳米纤维穿插，从而形成特定的三维有序结构。这种特殊结构的构筑大大提高了碳材料的比表面积，为有机污染物的吸附提供了更多的贮存空间，对聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶性能的提高起到关键作用，参见附图2；（2）TEM测试结果表明：本专利技术中所制备的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶的内部结构可以从TEM中得到更充分的体现，发现一维碳纳米纤维从二维片状碳内部穿插而过，得到了高度杂化的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶，参见附图3；（3）吸附测试结果表明，所制备的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶对常见有机溶剂和油性物质均有较好的吸附作用。研究结果表明，聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶对不同物质的吸附量达到了自身重量的20-62倍，其中对泵油展现出最优异的吸附性能（达到自身重量的62倍），参见附图4。这主要可归功于碳气凝胶内部的多孔结构和纳米碳纤维的“虹吸效应”。此外，对聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶的循环性能进行检测，发现其对乙醇和丙酮均展现出优异的循环稳定性能。在5次循环吸附后，其吸附量均保持在起始吸附量的90%以上；（4）吸附速本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）在搅拌下，配制聚丙烯腈（PAN）纺丝液；（2）通过静电纺丝法，制备PAN纳米纤维；（3）在空气条件下通过程序升温，对步骤（2）制备的PAN纳米纤维进行预氧化，得到表面具有含氧官能团的亲水性预氧化聚丙烯腈（记为o‑PAN）纳米纤维；（4）将步骤（3）的o‑PAN纳米纤维分散于去离子水中，高速搅拌后得到均匀分散的分散液；（5）将水溶性聚酰胺酸（PAA）溶解在去离子水中，搅拌后得到聚酰胺酸溶液；（6）将步骤（4）和步骤（5）的溶液混合，然后进一步高速搅拌得到均匀分散的o‑PAN纳米纤维和PAA的共混分散液；（7）将步骤（6）所得的共混分散液在冰箱或液氮中冷冻为固体，随后在冷冻干燥机中冷冻干燥，得到聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸气凝胶，记为o‑PAN/PAA；（8）利用程序升温过程，将步骤（7）所得的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸气凝胶进行热亚胺化和碳化，得到聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶，记为oP。
【技术特征摘要】
1. 一种聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）在搅拌下，配制聚丙烯腈（PAN）纺丝液；（2）通过静电纺丝法，制备PAN纳米纤维；（3）在空气条件下通过程序升温，对步骤（2）制备的PAN纳米纤维进行预氧化，得到表面具有含氧官能团的亲水性预氧化聚丙烯腈（记为o-PAN）纳米纤维；（4）将步骤（3）的o-PAN纳米纤维分散于去离子水中，高速搅拌后得到均匀分散的分散液；（5）将水溶性聚酰胺酸（PAA）溶解在去离子水中，搅拌后得到聚酰胺酸溶液；（6）将步骤（4）和步骤（5）的溶液混合，然后进一步高速搅拌得到均匀分散的o-PAN纳米纤维和PAA的共混分散液；（7）将步骤（6）所得的共混分散液在冰箱或液氮中冷冻为固体，随后在冷冻干燥机中冷冻干燥，得到聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸气凝胶，记为o-PAN/PAA；（8）利用程序升温过程，将步骤（7）所得的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸气凝胶进行热亚胺化和碳化，得到聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶，记为oP。2. 根据权利要求1所述聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料的制备方法，其特征在于步骤（1）所述的聚丙烯腈纺丝液所用的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，聚丙烯腈纺丝液的质量浓度为10%~15%。3. 根据权利要求1所述聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基碳气凝胶吸附材料的制备方法，其特征在于步骤（2）中，静电纺丝工艺参数为：电压为15~20 kV，所用纺丝容器为针孔直径为0.5 mm的5 mL塑料注射器，流速为0.2~...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘天西，赖飞立，缪月娥，左立增，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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