本发明专利技术涉及高导电碳材料领域，特别是一种柔性高导电三维连通空心碳纤维的制备方法。该方法以长纤维素网络为原材料，在惰性气氛下通过高温热处理使纤维素碳化，通过膨胀处理，得到孔隙可控、空心高导电柔性碳纤维网络结构。本发明专利技术利用不同处理温度和不同处理时间来调控碳纤维网络的导电性。该柔性高导电三维连通空心网络结构碳纤维解决了普通碳材料不能兼具柔性、高承载量和高导电性的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高导电碳材料领域，特别是。
技术介绍
三维导电纳米碳材料因其优异的化学稳定性、良好的导电性、高强度、大比表面积等特点，可望用于高性能锂离子电池、锂硫电池等的活性物质存储、柔性显示、先进热界面材料、柔性可穿戴产品等。为此，可控制备柔性高导电性碳材料的研宄受到了越来越多的关注。目前，柔性导电性碳材料主要有碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯聚集体、石墨烯泡沫三维导电网络等。柔性高导电性网络目前主要存在以下问题:制备程序复杂，因此成本较高；所得三维导通网络对活性物质的负载量有限，尤其是在单位面积上负载活性物质量较低；前期对材料处理过程中，由于表面活性剂的使用或者碳空位缺陷的引入等导致了碳材料优异导电性的降低。除了良好的导电性和柔性不能兼容之外，三维导电网络对活性物质的承载质量面密度低也是个亟待解决的问题，尤其是在锂离子、锂硫电池等领域，可以容纳活性物质的量比较少，即单位质量活性物质面密度非常低。到目前为止，国内外对三维导电网络的报道主要集中在以下方面:。以上方法目前存在的主要问题是:三维泡沫石墨烯由于其自身的脆性，必须在有机分子如PMMA，PDMS等存在下才能显示柔性，而PMMA会阻碍对活性物质的负载；利用化学模板、冷冻干燥等方法制得的三维导电聚集体，由于前驱体需要进行分散、水热合成、后续高温还原等过程，引入的结构缺陷多，导致导电性不理想。另外，在获得高导电性和柔性的前提下，如何提高单位面积活性物质担载量，即溶液吸收量也是一个亟待解决的问题。总之，三维导电碳材料的研发目标是同时实现材料具有良好的柔性、优异的导电性以及高的活性物质负载量。【专利技术内容】本专利技术的目的在于提供一种低成本、高效、易工业化、可控的柔性高导电三维连通空心碳纤维的制备方法，以解决目前锂离子电池、锂硫电池、燃料电池等用柔性集流体活性物质担载量低的问题，并首次实现高导电、高柔性、高负载量、碳三维网络结构的制备。本专利技术的技术方案是:，具体步骤如下:(I)取长纤维丝状原材料，浸入到碳酸盐溶液中，向纤维丝上滴加盐酸、硝酸、乙酸或乙二酸，利用产生的气体快速对前驱体进行膨胀，使用酒精或去离子水洗涤前驱体，在60?80°C下烘干10?24小时，或者将样品进行冷冻干燥15?48小时；(2)将干燥后的长纤维丝原料通过模具加工成型成为目标形状、尺寸的样品；(3)在保护性气氛下，于不同温度进行热处理，气体流量为1sccm?5000sccm，升温速率为每分钟I?100°C，热处理在600?1200°C下进行，热处理时间为I?6小时，在保护气氛下退火至室温；最后，得到柔性高导电三维连通空心结构的碳纤维，该材料表现出优异的柔性、高导电性和优异的吸液负载能力。所选取的长纤维丝状原材料取自于含碳长纤维物质:医用脱脂棉、高纯度化妆棉、脱脂布、天然棉花或棉布。所选用长纤维丝状原材料直径从0.1微米至100微米，长度在I毫米至10厘米。所述碳纤维的结晶性随着热处理温度的升高而升高。所述碳纤维的膜材料导电性从10兆欧姆到12欧姆可调。所述碳纤维的膜材料弯折角从O度到180度。所述碳纤维的膜材料超强吸液能力达到每克吸液量20?50ml。所述的碳酸盐为碳酸氢氨、碳酸氢钠、碳酸钠或碳酸镁，碳酸盐溶液的浓度为0.5mol/L ?2mol/L。所述的盐酸、硝酸、乙酸或乙二酸的浓度为lmol/L?10mol/L。所述的保护性气氛为氩气、氦气或氮气。本专利技术的优点及有益效果是:1、本专利技术采用长纤维纤维素丝(棉长纤维)为前驱体，通过热处理温度和处理时间的调控可控制三维导电网络宏观体的碳结晶度和导电性。2、本专利技术可实现三维宏观体柔性导电网络的结构控制合成。3、本专利技术可调节前驱体在热处理时的受力条件，实现三维导电宏观体的体积孔隙率、比表面积调控，进一步调节其对液体的吸收量。4、本专利技术可实现碳纤维三维导电宏观体优异的柔性，其弯折角度可实现O?180度改变。5、本专利技术可实现碳纤维三维导电宏观体在弯折(O度角到60度角)的情况下，仍然保持良好的导电性。6、本专利技术可实现碳纤维三维导电宏观体对溶液以及活性物质进行高容量的吸附。7、本专利技术操作简单，工艺过程易工业化，处理温度为600?1200°C。【附图说明】图1.不同热处理温度下得道的柔性、高导电三维连通空心碳纤维样品的光学照片，从左到右依次为 600 0C、700 0C、800 °C、900 °C、1000 °C 以及 1100 °C 样品。图2.三维连通空心碳纤维四种不同放大比例的扫描电镜照片。其中，图2第一排为样品低倍下样品，第二排为高倍下中空结构，插图为所选区域能谱图。图3.600°C到1100°C下得到的样品的拉曼图谱。图中，Raman shift (cnT1)为拉曼位移，intensity (a.u.)为强度。图4.前驱体在氩气气氛下的热重分析曲线。图中，Temperature (°C )为温度，Weight Loss,剩余质量百分含量，TG为热重分析，DSC为示差扫描量热分析。图5.柔性、高导电三维连通空心碳纤维样品在柔性弯折条件下的电阻测试。图6.不同处理温度下样品电阻值的对比图以及相应的图表。图7.不同碳质材料对酒精量吸收量的对比图，左起分别为相同质量的本专利技术方法制备的三维连通空心碳纤维、多壁碳纳米管以及石墨烯纳米片样品。图8.不同孔调节样品对比。左图中为热处理前样品，左边一个是未经过膨胀处理的，右边是经过膨胀处理的；右图中为热处理后样品，左边一个是未经过膨胀处理的，右边是经过膨胀处理的。【具体实施方式】在【具体实施方式】中，本专利技术柔性高导电三维连通空心碳纤维的制备方法以长纤维纤维素丝为原材料，通过高温处理使材料碳化、结晶化，从而得到体积可控、空心、高导电、柔性的碳纤维网络结构体，中空碳纤维的直径为I?100微米，内径为0.5?90微米，具体步骤如下:(I)选取一定量的长纤维丝状原材料(医用脱脂棉、高纯度化妆棉、脱脂布、天然棉花、棉布等含碳长纤维物质)，浸入到碳酸盐(碳酸氢氨、碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸氨或碳酸镁等)溶液中，向纤维丝上滴加盐酸、硝酸、乙酸或乙二酸，利用产生的气体快速对前驱体进行膨胀，使用酒精或去离子水洗涤前驱体后干燥处理。(2)利用模具对脱脂棉长纤维丝进行成型，获得具有所需要形状和尺寸的材料；进而将其置入高温炉内进行热处理，热处理温度为600?1200°C，升温速率为I?100°C /分钟。(3)抽真空通入保护性气氛(氩气、氮气、氦气等惰性气体)排净炉内空气，在保护性气氛流量为1sccm?5000sccm (优选为300sccm?100sc当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种柔性高导电三维连通空心碳纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)取长纤维丝状原材料，浸入到碳酸盐溶液中，向纤维丝上滴加盐酸、硝酸、乙酸或乙二酸，利用产生的气体快速对前驱体进行膨胀，使用酒精或去离子水洗涤前驱体，在60～80℃下烘干10～24小时，或者将样品进行冷冻干燥15～48小时；(2)将干燥后的长纤维丝原料通过模具加工成型成为目标形状、尺寸的样品；(3)在保护性气氛下，于不同温度进行热处理，气体流量为10sccm～5000sccm，升温速率为每分钟1～100℃，热处理在600～1200℃下进行，热处理时间为1～6小时，在保护气氛下退火至室温；最后，得到柔性高导电三维连通空心结构的碳纤维，该材料表现出优异的柔性、高导电性和优异的吸液负载能力。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，赵石永，方若翩，侯鹏翔，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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