一种多孔碳化硅纳米纤维的制备方法技术

一种多孔碳化硅纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：（1）配制纳米碳纤维前驱体聚合物纺丝溶液；（2）静电纺丝制备聚合物纳米纤维；（3）将聚合物纳米纤维进行预氧化交联；（4）预氧化聚合物纳米纤维的高温烧成，制得纳米碳纤维；（5）纳米碳纤维与硅粉发生碳热还原反应得到多空碳化硅纳米纤维。本发明专利技术所得碳化硅纳米纤维的形貌、直径以及有序性都可通过简单的手段得到有效调控；生产周期较短，便于实现扩大化生产，其制备工艺过程简单，便于实现工业生产；多孔碳化硅纳米纤维在高温过滤、高温催化、催化剂载体、隔热隔声、气体分离和化学传感器等领域有着广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，包括以下步骤：（1）配制纳米碳纤维前驱体聚合物纺丝溶液；（2）静电纺丝制备聚合物纳米纤维；（3）将聚合物纳米纤维进行预氧化交联；（4）预氧化聚合物纳米纤维的高温烧成，制得纳米碳纤维；（5）纳米碳纤维与硅粉发生碳热还原反应得到多空碳化硅纳米纤维。本专利技术所得碳化硅纳米纤维的形貌、直径以及有序性都可通过简单的手段得到有效调控；生产周期较短，便于实现扩大化生产，其制备工艺过程简单，便于实现工业生产；多孔碳化硅纳米纤维在高温过滤、高温催化、催化剂载体、隔热隔声、气体分离和化学传感器等领域有着广泛的应用前景。【专利说明】
本专利技术涉及一种碳化硅纤维的制备方法，特别是涉及。
技术介绍
多孔碳化硅具有比表面积大、密度低、耐高温、耐腐蚀等特点，在高温过滤(如柴油和熔融金属过滤)、高温催化、催化剂载体、隔热隔声、气体分离和化学传感器等领域有着广泛的应用前景。目前，不同多孔碳化硅形态，如块体、气凝胶、纳米管、纳米线、泡沫陶瓷和纳米晶须等均有报道，制备多孔碳化硅的方法也有很多，如电化学刻蚀、溶胶凝胶法、碳热还原法、化学气相渗透和纳米铸造法等。而对于碳化硅纤维的研究主要集中在熔融纺丝法制备微米级高强度碳化硅纤维，多孔碳化硅纤维的相关报道较少，特别是纳米级的多孔碳化硅纤维还未见报道。静电纺丝是依靠几千到几万伏的高压静电拉伸来制备纳米纤维的有效方法，除具备设备简单、造价低和适用性广等优点以外，还具有以下优点:(I)可获得长径比更大的纳米纤维(长度甚至可达米级)；(2 )由于纺丝时溶剂快速蒸发等原因，制备的纳米纤维一般为多孔，其比表面积比传统膜高广2个数量级；(3)在制备纳米纤维的同时，通过接受体或电场模式的设计和控制，可以对所制备超细纤维的形态结构进行控制。采用静电方法也便于实现纳米纤维的规模化生产。最近,Huilin Hou等人以聚娃氮烧(polyureasilazane)和聚乙烯批咯烧酮(polyvinylpyrrolidone)为原料,采用静电纺丝法制备出多孔碳化娃纤维，但其所制备出的碳化硅纤维平均直径为1.5 μ m，没有达到纳米尺度。CN101876095A公开了一种碳化硅纤维的制备方法，利用沉淀分级原理，采用静电纺丝法可纺制极稀聚碳硅烷悬浊液，将得到的聚碳硅烷原丝经不融化交联处理和高温烧成后可得到多孔碳化硅超细纤维，纤维直径为0.5^2 μ m,但极稀溶液纺丝纤维收率低，不适于规模化制备。CN1033434225A公开了采用良溶剂与非溶剂作为混合溶剂，以碳化硅陶瓷先驱体含硅聚合物为原料，通过静电纺丝法得到柔性多孔碳化硅纤维。但同样所制备的碳化硅纤维平均直径为0.5^3 μ m,很难实现多孔碳化硅纳米纤维的制备；并且CN101876095A和CN1033434225A都以先驱体含硅聚合物为原料，而由于先驱体含硅聚合物的分子量一般较低，在静电纺丝过程中纺丝性较差，得到的纤维直径也不均匀。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供，所制备的多孔碳化硅纤维直径达到纳米水平。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是，，是以纳米碳纤维前驱体聚合物为原料，将一定量的前驱体聚合物溶解于溶剂中，经静电纺丝、预氧化交 联、高温烧成制成纳米碳纤维，进而将纳米碳纤维与硅粉在高温条件下进行碳热还原制得的产品。具体包括以下步骤: (1)配制纺丝溶液:将纳米碳纤维前驱体聚合物溶解于溶剂中配制成均相纺丝溶液，所述纳米碳纤维前驱体聚合物在均相纺丝溶液中的浓度为5wt%、0wt% ; (2)静电纺丝:将步骤(1)所得均相纺丝溶液进行静电纺丝，静电纺丝所用的喷头是内径大小为0.5~1.5mm的金属针头，纺丝电压12 kV~30kV，接收距离(针尖到接收屏的垂直距离)15~25cm，供料速率5~30 μ 1/min,纺丝温度为1(T60°C，空气相对湿度为20RH%~80RH% ；在电场力作用下，纺丝溶液逐渐牵伸细化，同时溶剂挥发，形成聚合物纳米纤维收集在接收器上； (3)预氧化交联:将步骤(2)得到的聚合物纳米纤维置于氧化炉中，以0.1~10 /min(优选I~5°C /min)的升温速率升温至20(T30(TC，保温0.5~5h (优选I~3h)，进行预氧化交联，冷却至室温后得到不熔化纳米纤维； (4)高温烧成:将步骤(3)得到的不熔化纳米纤维在惰性气氛保护下，以f10°C /min的升温速率升温到60(T2500°C(优选1000-1800?，更优选140(Tl600°C)，保温时间为0.5~3h(优选f2h)，高温热解，得到纳米碳纤维； (5)碳热还原:将步骤(4)得到的纳米碳纤维与硅粉(所述硅粉与纳米碳纤维的摩尔比大于1:1) 一起放入刚玉坩埚中，在流量为0.1~1.0 L/min的惰性气氛保护下，以3~1(TC /min的升温速 率加热至1250-1600?，保温时间为flOh，进行碳热还原反应，得多孔碳化硅纳米纤维。进一步，步骤(1)中，所述纳米碳纤维前驱体聚合物为聚丙烯腈、酚醛树脂、浙青中的至少一种。进一步，步骤(1)中，所述溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基亚砜(DMS0)。进一步，步骤(2)中，所述接收器为平板铝箔或平行电极，采用平板铝箔接收器，可得到无序的多孔碳化硅纳米纤维；采用平行电极接收器，可得到有序的多孔碳化硅纳米纤维。进一步，步骤(4)及步骤(5)中，所述惰性气氛为纯度> 99.999% (v/v)的高纯氩气或高纯氮气。本专利技术选用可纺性较好的纳米碳纤维前驱体聚合物为原料，先制备出纳米碳纤维，进而通过碳热还原反应，制备出多孔碳化硅纳米纤维。本专利技术所制备的碳化物纳米纤维为多孔结构，直径均匀，直径大小为5(T1000nm。多孔碳化硅纤维或为无序的无纺纤维毡，或为纤维高度有序的纤维毡，比表面积大，纯度高，直径和形貌易调。与现有技术比较，本专利技术有以下优点:所用原材料来源广泛易得，成本低廉；在静电纺丝过程中原材料可纺性好，避免了采用可纺性差的低分子量的含硅先驱体聚合物而产生的纤维直径不均匀性的缺点；同时，该方法所得纳米纤维的形貌、直径以及有序性都可通过简单的手段得到有效调控；生产周期较短，便于实现扩大化生产；多孔碳化硅纳米纤维在高温过滤、高温催化、催化剂载体、隔热隔声、气体分离和化学传感器等领域有着广泛的应用前景。【专利附图】【附图说明】图1为实施例1所得无序多孔碳化硅纳米纤维的扫描电子显微镜(SEM)照片；图2为实施例1所得多孔碳化硅纳米纤维的X-射线衍射(XRD)谱图； 图3为实施例2中得到的不同直径的有序多孔碳化硅纤维的SEM照片。【具体实施方式】以下结合实施例对本专利技术作进一步详细说明。 实施例1 本实施例包括以下步骤: (O配制纺丝溶液:将聚丙烯腈粉末加入到DMF中，聚丙烯腈粉末与DMF质量比为I: 10 (即聚丙烯腈的质量浓度为9.lwt%)，搅拌使聚丙烯腈完全溶解，得均相纺丝溶液； (2)静电纺丝:将步骤(1)所得均相纺丝溶液进行静电纺丝，静电纺丝所用的喷头为内径0.8mm的金属针头，纺丝电压为16kV，接收距离为20cm，供料速率为10 μ 1/min，纺丝温度200C，空气相对湿度60RH%，采用平板铝箔接收器，制得纳米聚丙烯腈原纤维； (3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔碳化硅纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）配制纺丝溶液：将纳米碳纤维前驱体聚合物溶解于溶剂中配制成均相纺丝溶液，所述纳米碳纤维前驱体聚合物在均相纺丝溶液中的浓度为5wt% ~50wt%；（2）静电纺丝：将步骤（1）所得均相纺丝溶液进行静电纺丝，静电纺丝所用的喷头是内径大小为0.5~1.5mm的金属针头，纺丝电压12 kV ~30kV，接收距离15~25cm，供料速率5~30μl/min，纺丝温度为10~60℃，空气相对湿度为20RH% ~ 80RH%；在电场力作用下，纺丝溶液逐渐牵伸细化，同时溶剂挥发，形成聚合物纳米纤维收集在接收器上；（3）预氧化交联：将步骤（2）得到的聚合物纳米纤维置于氧化炉中，以0.1~10℃/min的升温速率升温至200~300℃，保温0.5~5h，进行预氧化交联，冷却至室温后得到不熔化纳米纤维； （4）高温烧成：将步骤（3）得到的不熔化纳米纤维在惰性气氛保护下，以1~10℃/min的升温速率升温到600~2500℃，保温时间为0.5~3h，高温热解，得到纳米碳纤维；（5）碳热还原：将步骤（4）得到的纳米碳纤维与硅粉一起放入刚玉坩埚中，在流量为0.1~1.0 L/min的惰性气氛保护下，以3~10℃/min的升温速率加热至1250~1600℃，保温时间为1~10h，进行碳热还原反应，得多孔碳化硅纳米纤维；所述硅粉与纳米碳纤维的摩尔比大于1:1。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王应德，王兵，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43