一种木质素基纳米碳纤维及其制备方法、碳纤维电极技术

本发明专利技术提供了一种木质素基纳米碳纤维及其制备方法、碳纤维电极，属于纳米碳纤维制备技术领域。本发明专利技术的实施例是这样实现的：(1)将石墨烯材料和聚乙烯醇的混合溶液与木质素碱溶液混合得到纺丝液，将纺丝液纺丝后得到木质素纤维膜；(2)将得到的木质素纤维膜固化；(3)将固化后的木质素纤维膜炭化；石墨烯材料包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯及其它们的片层结构的一种或几种。本发明专利技术不仅解决了以往石墨烯分散不佳的问题，同时还大大提升了木质素基碳纤维的力学性能和导电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种木质素基纳米碳纤维及其制备方法、碳纤维电极
本专利技术涉及纳米碳纤维制备
，具体而言，涉及一种木质素基纳米碳纤维及其制备方法。
技术介绍
纳米碳纤维是一种新型的一维纳米炭材料，由于其具有直径小、导电性好、比表面积大和化学稳定性好等优点而被广泛应用于储能、催化以及吸附等领域。制备纳米碳纤维的方法主要包括静电纺丝法、水热法、化学气相沉积法等。相比于其他方法，静电纺丝法由于工艺简单易行而被更广泛的应用。目前制备纳米碳纤维的原料主要以聚丙烯腈、酚醛树脂等高聚物为主，但随着化石能源的日益短缺，以化石能源为基础的化学品的短缺问题也随之而来，利用生物质基化学品来补充石油基高分子材料的研究得到了广泛关注。木质素是数量上仅次于纤维素的第二类芳香族高分子材料，主要为木材水解工业和造纸工业的副产物，由于得不到充分利用，严重地污染了环境。因此实现木质素的商业化应用，变废为宝是人们长久以来的目标。随着人们对能源危机认识的不断提高，这一目标变得越为突出。木质素含碳量较高(55％－66％)、可再生、成本低廉，而且木质素分子中含有大量的芳香基团，因此可作为碳纤维原料进行利用。木质素结构中含有甲氧基、酚羟基、羧基和羧甲基等许多官能团和化学键，所以有很强的反应活性，为其进行化学改性、实现综合利用提供了可能性。但是木质素可纺性差，同时现有的木质素基纳米碳纤维强度低，不能满足日益增长的市场需求。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种木质素基纳米碳纤维的制备方法，其能够解决木质素可纺性差的问题以及现有纳米碳纤维强度低的问题。本专利技术的第二目的在于提供一种木质素基纳米碳纤维，其强度高、导电性能好。本专利技术的第三目的在于提供一种碳纤维电极，其导电性能好。本专利技术的实施例是这样实现的：一种木质素基纳米碳纤维的制备方法，包括以下步骤：(1)将石墨烯材料和聚乙烯醇的混合溶液与木质素碱溶液混合得到纺丝液，将纺丝液纺丝后得到木质素纤维膜；(2)将得到的木质素纤维膜固化；(3)将固化后的木质素纤维膜炭化；石墨烯材料包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯及其它们的片层结构的一种或几种。一种木质素基纳米碳纤维，其是根据上述的木质素基纳米碳纤维的制备方法制备而成的。一种碳纤维电极，制备该碳纤维电极的原料包括上述的木质素基纳米碳纤维。与现有技术相比，本专利技术实施例的有益效果是：本专利技术通过石墨烯材料改善纳米碳纤维的力学性能，利用聚乙烯醇提高木质素的可纺性，并且聚乙烯醇还作为石墨烯材料的分散剂，克服石墨烯分散不均的问题。本专利技术不仅解决了以往石墨烯分散不佳的问题，同时还大大提升了木质素基碳纤维的力学性能和导电性能，而且本专利技术减少了多于有机溶剂的添加，节约了原料成本、简化了制备工艺。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。本专利技术实施例的木质素基纳米碳纤维的制备方法的原理是以石墨烯材料为原料来提高纳米碳纤维的强度，通过聚乙烯醇实现木质素的可纺性，同时聚乙烯醇能够作为石墨烯的分散剂，其与石墨烯混合可以提高石墨烯在溶液中的分散性，减少石墨烯在溶液中团聚。本专利技术实施例的木质素基纳米碳纤维的制备方法包括以下步骤：步骤1：制备纺丝液将石墨烯材料和聚乙烯醇分别配制成溶液并混合。将由石墨烯材料和聚乙烯醇配制而成的混合溶液添加至由碱性溶液配制而成的木质素碱溶液中，混合得到纺丝液。本专利技术实施例的石墨烯材料包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯及其它们的片层结构的一种或几种。所述的石墨烯材料可以通过机械剥离法、氧化还原法等常规制备工艺制备得到；还包括利用生物质资源(例如纤维素、木质素等)通过高温炭化等工艺制备得到。步骤1.1：制备石墨烯材料/聚乙烯醇混合溶液配制石墨烯材料溶液。优选地，石墨烯材料溶液的浓度为0.2－0.8wt％的，更优选地，石墨烯材料溶液的浓度为0.2wt％、0.4wt％、0.5wt、0.6wt％或0.8wt％。优选为石墨烯材料的水溶液。石墨烯材料溶液除了配制以外，还可以直接在市面上购买。利用超声波细胞粉碎仪将石墨烯材料在溶液中充分分散，得到分散均匀的石墨烯材料溶液。配制或购买聚乙烯醇溶液。优选地，配制浓度为0.2－0.8wt％的聚乙烯醇溶液。聚乙烯醇溶液为聚乙烯醇的水溶液。将上述石墨烯材料溶液与聚乙烯醇溶液混合，得到石墨烯材料/聚乙烯醇混合溶液，其中石墨烯材料与聚乙烯醇的重量比1：(150－180)。优选地，石墨烯材料与聚乙烯醇的重量比为1：150。优选地，石墨烯材料与聚乙烯醇的重量比1：160。更优选地，石墨烯材料与聚乙烯醇的重量比为1：180。优选地，上述石墨烯材料为氧化石墨烯。氧化石墨烯作为一种石墨烯的前驱体或者衍生物，其表面含有丰富的含氧官能团，为氧化石墨烯能够进一步发生化学反应提高了活性位点。因此，本专利技术实施例以氧化石墨烯代替石墨烯在发挥其优异力学性能同时还可以进一步提高反应活性，有利于进一步改善纳米碳纤维的力学性能。聚乙烯醇与石墨烯材料混合一方面有利于石墨烯材料在溶液中的分散性，另一方面，其作为助纺剂使用，有利于提高木质素的可纺性，起到了分散和助纺的双重作用。步骤1.2：制备木质素碱溶液将木质素溶于碱溶液中制得木质素碱溶液。优选地，本专利技术实施例的碱溶液为强碱溶液。同样地，木质素碱溶液也可以直接从市面购买。木质素碱溶液中木质素与碱的重量比为1：(0.5－4)。强碱溶液可以是NaOH溶液或KOH溶液或两者的混合液。优选地，强碱溶液为KOH溶液，其浓度为10－40wt％。优选地，木质素与强碱的的重量比为1：0.8。优选地，木质素与强碱的的重量比为1：1。优选地，木质素与强碱的重量比为1：4。本专利技术实施例引入碱液，一方面有利于木质素溶解，另一方面在后续炭化过程中能够起到活化造孔的作用，这与现有的制备方法相比，例如使用DMF制备碳纤维，还省去了后期的活化步骤，简化工艺流程。步骤1.3：混合向木质素碱溶液中添加石墨烯材料/聚乙烯醇混合溶液制得纺丝液。在混合时，通过控制石墨烯材料/聚乙烯醇混合溶液的加量，使得纺丝液石墨烯材料的含量占木质素重量的0.1－1％。需要说明的是，对于本专利技术实施例石墨烯材料溶液的浓度包括但不限于上述范围0.2－0.8wt％，其可以是任意浓度，在制备过程中，仅需满足最终获得的纺丝液中石墨烯材料的含量占木质素重量的0.1－1wt％即可，石墨烯材料溶液的浓度越大、对于获得一定量的石墨烯材料的纺丝液，其添加的石墨烯材料溶液的加量越少，反之，石墨烯材料溶液的浓度越小，加量越多，本领域技术人员可以根据实际配制的石墨烯材料溶液进行相应调整。同样地，本专利技术也不对聚乙烯醇溶液的浓度进行特别限制，其还可以是除上述浓度范围的其他浓度大小，在购买或配制石墨烯材料/聚乙烯醇混合溶液时，只需满足石墨烯材料与聚乙烯醇的重量比1：(150－180)即可，根据不同浓度的聚乙烯醇溶液本领域技术人员可以对其加量进行适应性调整。在本专利技术较佳的实施例中，用蒸馏水和聚乙烯醇调节上述纺丝液的粘度至900－1200mPa·s。步骤2：纺丝将上述纺丝液进行纺丝，制得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种木质素基纳米碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石墨烯材料和聚乙烯醇的混合溶液与木质素碱溶液混合得到纺丝液，将所述纺丝液纺丝后得到木质素纤维膜；(2)将得到的木质素纤维膜固化；(3)将固化后的木质素纤维膜炭化；所述石墨烯材料包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯及其它们的片层结构的一种或几种。

【技术特征摘要】
1.一种木质素基纳米碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石墨烯材料和聚乙烯醇的混合溶液与木质素碱溶液混合得到纺丝液，将所述纺丝液纺丝后得到木质素纤维膜；(2)将得到的木质素纤维膜固化；(3)将固化后的木质素纤维膜炭化；所述石墨烯材料包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯及其它们的片层结构的一种或几种。2.根据权利要求1所述的木质素基纳米碳纤维的制备方法，其特征在于，所述纺丝液中石墨烯材料的含量占木质素重量的0.1－1％。3.根据权利要求1所述的木质素基纳米碳纤维的制备方法，其特征在于，所述纺丝液的粘度为900－1200mPa·s；优选地，用蒸馏水和聚乙烯醇调节所述纺丝液的粘度至900－1200mPa·s。4.根据权利要求1所述的木质素基纳米碳纤维的制备方法，其特征在于，采用静电纺丝对所述纺丝液进行纺丝；优选地，所述静电纺丝条件为：电压15－25kV、纺丝距离15－25cm、纺丝温度20－40℃、纺丝湿度30－50％，纺丝液的推进速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛杰，张安，刘顶，
申请(专利权)人：山东圣泉新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37