一种碳纳米纤维复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纳米纤维复合材料的制备方法，属于复合材料技术领域。本发明专利技术利用纳米纤维素具有易于成膜与凝胶化的特性，可以作为结构稳定与机械性能优良的载体材料或者骨架支撑材料，纳米纤维素具有不同的结构形态，各种微纳米尺度的无机或有机纳米材料可扩散或填充其中，以提高其比表面积，纳米纤维素原有的高吸水性、溶胀性、生物相容性等特性，与各类无机或有机纳米材料的特定导电性能相互融合在一起，进而产生具有高导电性、光电转换性、电化学氧化还原特性的特殊功能材料，导电高分子不但可以通过溶液分散与纳米纤维素形成导电膜材料，而且可以通过原位聚合方式得到导电高分子/纳米纤维素导电复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米纤维复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种碳纳米纤维复合材料的制备方法，属于复合材料

技术介绍
从生物质原料中开发生物质纳米材料素，并以此制备功能产品可进一步提高生物质原料的附加值和利用效率。生物质资源包括各种天然资源及其派生资源，在地球上分布广泛，具有可再生性，取之不尽，用之不竭。纤维素是自然界中分布最广、蕴藏量最丰富的天然高分子材料，主要来源于高等植物和木材的细胞壁，如棉花的纤维素含量几乎高达100%，木材的纤维素含量在40-50%左右，农作物废弃物（大豆壳、秸秆、甘蔗渣）也是纤维素的重要来源。纤维素在工业领域如纺织、纸张和纸浆、食品及制药行业的添加剂具有巨大的开发应用潜力。碳纤维是由有机纤维或沥青基原材料经碳化和石墨化处理后得到的，其含碳量高于85%，可用作复合材料的增强纤维。近年来，研究人员通过改进碳纤维的制备工艺，结合先进的分析手段，实现了碳纤维的结构控制。碳纤维的研究动向正朝着高性能、高功能和低成本化的方向发展。纳米技术是国际上最近十年以来开发的一项高新技术，作为一种新兴的性能优异的材料，应用前景相当可观。在海南、广东等椰子树资源丰富的地区，自然脱落的、具有轻微防腐功能的椰子树枝叶随处可见，严重影响交通安全和城市市容。有关农业废弃物椰叶柄回收再利用及高值化应用的研究公开报道很少。从椰叶柄中提取纤维素并作为制备纳米纤维素的原料，有利于废弃物资源化和有效循环利用，符合国家可持续发展的政策，具有良好的环境效益。从椰叶柄中提取纤维素，制备高强度、高弹性模量、透光性良好的纳米纤维素和导电性良好、高强度的碳纳米纤维，并将两种材料进行复合，制备兼具高强度和良好导电性能的纳米复合材料，可应用于锂离子电池、超级电容器等领域。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：针对目前碳纤维主要由煤焦油、石油沥青等物质加工生产而得，这类资源属于不可再生资源，而大量的椰树废弃物被焚烧处理，造成严重环境污染的问题，提供了一种碳纳米纤维复合材料的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：（1）按重量份数计，分别称取10～20份椰叶、40～50份苯-无水乙醇混合液、10～15份次氯酸钠、10～15份冰醋酸、6～10份氢氧化钠、10～14份盐酸，将椰叶和苯-无水乙醇混合液混合抽提烘干处理，得抽提完的椰叶，在抽提完的椰叶中加入次氯酸钠和冰醋酸，在温度为75～85℃水浴锅中搅拌处理1～2h，用去离子水洗涤至中性，过滤，得产物，将产物和氢氧化钠混合，在温度为80～90℃的水浴锅中搅拌处理2～3h，用去离子水洗涤至中性，加入盐酸搅拌处理2～3h，用去离子水洗涤至中性，得纤维素，研磨、超声并离心处理，得椰叶纳米纤维素；（2）将N，N-二甲基甲酰胺和椰叶纳米纤维素混合，超声分散40～60min后，进行静电纺丝制备，得纺布；将纺布置于马弗炉中，以1℃/min的升温速率升至280～300℃并恒温2～3h后，炭化活化处理，得碳纳米纤维素；（3）将碳纳米纤维和去离子水混合均匀后，超声分散1～2h，用质量分数为37%盐酸调节pH为1～3，得分散液，加入聚丙烯腈，磁力搅拌15～30min，加入过硫酸铵，继续搅拌反应3～5h，分别用丙酮和去离子水洗涤3～5次，过滤后，置于80～100℃的烘箱中干燥至恒重，即得碳纳米纤维复合材料。步骤（1）所述的苯-无水乙醇混合液中苯与无水乙醇的体积比为2∶1。步骤（1）所述的抽提烘干处理是于80～90℃的水浴锅中抽提5～6h，取出并置于80～100℃烘箱中烘干。步骤（1）所述的研磨、超声并离心处理步骤为研磨15～20次，在功率为1200W超声1～2h，并在离心速度为8000r/min离心处理10～15min。步骤（2）所述的N，N-二甲基甲酰胺和椰叶纳米纤维素的质量比为1∶1。步骤（2）所述的静电纺丝条件为负压-3.00～-5.00KV，正压23.00～25.00KV，推进速率0.1mm/min，针头与接收器之间的距离为20～25cm，温度为50～60℃。步骤（2）所述的炭化活化处理为在氮气气氛下于600～800℃炭化1～2h，然后通入二氧化碳气体活化2～4h。步骤（3）所述的碳纳米纤维和去离子水的质量比1∶3。步骤（3）所述的聚丙烯腈与分散液的质量比为1∶5。步骤（3）所述的过硫酸铵与聚丙烯腈的质量比为2∶1。本专利技术与其他方法相比，有益技术效果是：（1）本专利技术采用苯-无水乙醇抽提、酸碱处理从椰叶中获得纤维素，再结合研磨、超声等机械处理提取纳米纤维素，有效地去除了椰叶中的木质素和半纤维素，完整地提取了纳米纤维素，并达到了纳米尺寸，充分利用了农业废弃物椰叶，缓解环境问题，从椰叶中提取的纳米纤维素经过静电纺丝处理、炭化活化处理，得到的碳纳米纤维素兼具高强度和良好导电性能；（2）本专利技术利用纳米纤维素具有易于成膜与凝胶化、高吸水性、溶胀性、生物相容性等特性，可以作为结构稳定与机械性能优良的载体材料或者骨架支撑材料，纳米纤维素具有不同的结构形态，尤其是不同微观尺度的三维网络多孔结构，各种微纳米尺度的无机或有机纳米材料可扩散或填充其中，以提高其比表面积，纳米纤维素原有的高吸水性、溶胀性、生物相容性等特性，与各类无机或有机纳米材料的特定导电性能相互融合在一起，进而产生具有高导电性、光电转换性、电化学氧化还原特性的特殊功能材料，导电高分子不但可以通过溶液分散与纳米纤维素形成导电膜材料，而且可以通过原位聚合方式得到导电高分子/纳米纤维素导电复合材料。具体实施方式按重量份数计，分别称取10～20份椰叶、40～50份苯-无水乙醇混合液、10～15份次氯酸钠、10～15份冰醋酸、6～10份氢氧化钠、10～14份盐酸，将椰叶和体积比为2∶1苯-无水乙醇混合液于80～90℃的水浴锅中抽提5～6h，取出并置于80～100℃烘箱中烘干，得抽提完的椰叶，在抽提完的椰叶中加入次氯酸钠和冰醋酸，在温度为75～85℃水浴锅中搅拌处理1～2h，用去离子水洗涤至中性，过滤，得产物，将产物和氢氧化钠混合，在温度为80～90℃的水浴锅中搅拌处理2～3h，用去离子水洗涤至中性，加入盐酸搅拌处理2～3h，用去离子水洗涤至中性，得纤维素，研磨20次，在功率为1200W下超声1h，并在8000r/min下离心处理15min，得椰叶纳米纤维素；按质量比5∶1将N，N-二甲基甲酰胺和椰叶纳米纤维素混合，超声分散40～60min后，进行静电纺丝制备，得纺布；静电纺丝条件为负压-3.00～-5.00KV，正压23.00～25.00KV，推进速率0.1mm/min，针头与接收器之间的距离为20～25cm，温度为50～60℃；将纺布置于马弗炉中，以1℃/min的升温速率升至280～300℃并恒温2～3h后，在氮气气氛下于600～800℃炭化1～2h，然后通入二氧化碳气体活化2～4h，得碳纳米纤维素；按质量比1∶3将碳纳米纤维和去离子水混合均匀后，超声分散1～2h，用质量分数为37%盐酸调节pH为1～3，得分散液，按聚丙烯腈与分散液的质量比为1∶5加入聚丙烯腈，磁力搅拌15～30min，再按过硫酸铵与聚丙烯腈的质量比为2∶1加入过硫酸铵，继续搅拌反应3～5h，分别用丙酮和去离子水洗涤3～5次，过滤后，置于80～100℃的烘箱中干燥至恒重，即得碳纳米纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）按重量份数计，分别称取10～20份椰叶、40～50份苯‑无水乙醇混合液、10～15份次氯酸钠、10～15份冰醋酸、6～10份氢氧化钠、10～14份盐酸，将椰叶和苯‑无水乙醇混合液混合抽提烘干处理，得抽提完的椰叶，在抽提完的椰叶中加入次氯酸钠和冰醋酸，在温度为75～85℃水浴锅中搅拌处理1～2h，用去离子水洗涤至中性，过滤，得产物，将产物和氢氧化钠混合，在温度为80～90℃的水浴锅中搅拌处理2～3h，用去离子水洗涤至中性，加入盐酸搅拌处理2～3h，用去离子水洗涤至中性，得纤维素，研磨、超声并离心处理，得椰叶纳米纤维素；（2）将N，N‑二甲基甲酰胺和椰叶纳米纤维素混合，超声分散40～60min后，进行静电纺丝制备，得纺布；将纺布置于马弗炉中，以1℃/min的升温速率升至280～300℃并恒温2～3h后，炭化活化处理，得碳纳米纤维素；（3）将碳纳米纤维和去离子水混合均匀后，超声分散1～2h，用质量分数为37%盐酸调节pH为1～3，得分散液，加入聚丙烯腈，磁力搅拌15～30min，加入过硫酸铵，继续搅拌反应3～5h，分别用丙酮和去离子水洗涤3～5次，过滤后，置于80～100℃的烘箱中干燥至恒重，即得碳纳米纤维复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）按重量份数计，分别称取10～20份椰叶、40～50份苯-无水乙醇混合液、10～15份次氯酸钠、10～15份冰醋酸、6～10份氢氧化钠、10～14份盐酸，将椰叶和苯-无水乙醇混合液混合抽提烘干处理，得抽提完的椰叶，在抽提完的椰叶中加入次氯酸钠和冰醋酸，在温度为75～85℃水浴锅中搅拌处理1～2h，用去离子水洗涤至中性，过滤，得产物，将产物和氢氧化钠混合，在温度为80～90℃的水浴锅中搅拌处理2～3h，用去离子水洗涤至中性，加入盐酸搅拌处理2～3h，用去离子水洗涤至中性，得纤维素，研磨、超声并离心处理，得椰叶纳米纤维素；（2）将N，N-二甲基甲酰胺和椰叶纳米纤维素混合，超声分散40～60min后，进行静电纺丝制备，得纺布；将纺布置于马弗炉中，以1℃/min的升温速率升至280～300℃并恒温2～3h后，炭化活化处理，得碳纳米纤维素；（3）将碳纳米纤维和去离子水混合均匀后，超声分散1～2h，用质量分数为37%盐酸调节pH为1～3，得分散液，加入聚丙烯腈，磁力搅拌15～30min，加入过硫酸铵，继续搅拌反应3～5h，分别用丙酮和去离子水洗涤3～5次，过滤后，置于80～100℃的烘箱中干燥至恒重，即得碳纳米纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的一种碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的苯-无水乙醇混合液是苯与无水乙醇的体积比为2∶1的混合液。3.根据权利要求1所述的一种碳纳米纤维复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘菊花，张鑫，朱华，
申请(专利权)人：佛山腾鲤新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44