一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料及其制备方法。本发明专利技术首先采用不同类型的硅源、聚合物基碳源以及极性溶剂配制前驱体溶液，随后通过纺丝技术使前驱体溶液成型，得到纤维状的前驱体；最后，对纤维状前驱体进行预氧化和高温碳化，即可得到柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料。本发明专利技术所制备的碳化硅纳米纤维长度为几十到几千微米，直径在80‑300nm，制备工艺简单、高效，无需以稀土金属作为催化剂，制得的柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料蓬松柔软、机械性能良好、晶体结构完善，且具有较高的催化降解性能，和优异的循环使用性能，易回收再利用。

A flexible silicon carbide nanofiber / carbon nanofiber composite felt material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料及其制备方法
本专利技术涉及陶瓷基复合材料
，具体涉及一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料及其制备方法。
技术介绍
碳化硅(SiC)是一种新型特种陶瓷材料，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高强度、高模量等优异特性，广泛的应用在陶瓷、耐磨材料等诸多领域。一维SiC纳米材料不但具有SiC基体材料的基本特点，而且兼具了一维纳米材料的独特几何结构和特殊性能。一维SiC纳米纤维材料在高频、大功率的半导体器件以及智能纳米光电子领域具有巨大的潜在应用价值。自1975年，Yajima教授通过先驱体转化法成功制备了SiC纤维以来(Yajima.S.ContinuousSiliconcarbidefiber.JournaloftheAtomicEnergySocietyofJapan.1975.9:474-476)，针对于SiC纳米纤维的制备及应用成为研究的热点。目前为止，SiC纳米纤维的制备方法有化学气相沉积法、模板法、溶胶-凝胶法、碳热还原法、弧光放电法、激光烧蚀法等。中国专利CN1569626A公开了一种制备碳化硅纳米纤维的方法，其利用溶胶-凝胶法，并加入一定量的稀土金属及其他的添加剂，通过高温煅烧热处理和煅烧后的酸处理获得碳化硅纳米纤维。该方案首先需要制备碳硅二元溶胶，将酚醛树脂溶于无水乙醇中，然后加入稀土金属硝酸盐、醋酸盐或氯化物、再加入草酸、盐酸等得到碳硅二元溶胶，添加的稀土金属是铈、镧或镨。一方面，稀土金属及其他添加剂的加入会黏附于所制备的SiC晶体结构上，使获得的SiC纳米纤维的纯度下降；另一方面，稀土金属大多价格高昂，属稀缺性资源，使得该制备方法生产成本相对较高。
技术实现思路
(一)技术问题综上所述，如何提供一种无需使用稀土金属、且制备成本相对较低的方法来制备出SiC纳米纤维材料，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。(二)技术方案本专利技术旨在提出一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料及其制备方法，以解决上述技术问题。本专利技术实施例的第一个方面，提供一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料制备方法，该方法包括如下步骤：取硅源加入到极性溶剂中，10-30℃搅拌4-8h(小时)，待分散后加入聚合物基碳源，继续搅拌4-12h，静置脱泡后得到前驱体溶液，备用；将前驱体溶液经过纺丝方式，制备得到前驱体纳米纤维毡；将前驱体纳米纤维毡放入到煅烧炉中进行预氧化处理，再置于高温炉内于惰性气体下进行高温碳化处理，待高温碳化处理完成后，降至10-30℃后取出，即得到柔性SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡。可选的，硅源包括：SiO2纳米颗粒、正硅酸乙酯、硅酸异丙酯、聚硅烷、聚碳硅烷、聚硅氮烷中的一种或多种。可选的，聚合物基碳源包括：聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚芳醚砜、聚芳硫醚或其共聚物中的一种或多种。可选的，极性溶剂包括：N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮、丙酮、乙醇中的一种或多种。可选的，前驱体溶液中，硅源的质量分数为3～5％、聚合物基碳源的质量分数为7～10％、极性溶剂的质量分数为90～85％。可选的，将前驱体溶液经过纺丝方式，制备得到前驱体纳米纤维毡，包括步骤：采用溶液喷射纺丝、气电混纺和/或离心纺丝方式制备前驱体纳米纤维毡；喷丝孔直径为0.01-0.5mm，纺丝液的推进速度为800-1600ml/h。可选的，进行预氧化处理，包括步骤：以5-10℃/min的升温速率升温到200-400℃，预氧化处理时间为0.5-3h。可选的，置于高温炉内于惰性气体下进行高温，包括置于高温炉内于氩气气氛下；和/或，进行高温碳化处理，包括以7-20℃/min的升温速率升温到1300-1400℃，高温碳化处理时间为0.5-5h。(三)技术效果与现有技术相比，本专利技术能够达到如下技术效果：本专利技术的纳米纤维状前驱体仅仅经过一步碳热还原反应，既可以实现两种超强材料复合，得到一种三维立体结构的柔性复合毡体；本专利技术的制备方法中硅源和聚合物基碳源均可采用便宜易得的原料，相比于现有技术中需以稀土金属作为催化剂的制备方式，可有效节约成本；本专利技术制备方法也并未使用其他金属催化剂、模板或者还原性气氛或额外增加衬底，制备工艺更为简单易施；并且，本专利技术制备方法所得到的SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡表面积比大、热稳定性好、机械性能优异、晶体结构完善，且具有较高的催化降解性能和优异的循环使用性能，易回收再利用，相比于现有技术中的一些制备方案，本专利技术所制得的柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维产量更大、纯度更高，在纳米器件、催化降解、过滤分离及复合材料增强等领域都有着重要的应用价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是实施例1中制备的纤维状前驱体的扫描电镜图；图2是实施例1中制备的SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡的扫描电镜图。图3是实施例1中制备的SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡催化降解甲基橙曲线图；图4是实施例1中制备的SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡催化降解循环使用图；图5是实施例2中制备的SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡的扫描电镜图。图6是实施例3中制备的SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡的扫描电镜图。具体实施方式下面对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为使本专利技术的技术方案更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术通过溶液喷射、气电混纺或是离心纺丝技术制备前驱体杂化纳米纤维毡，纤维毡中纳米尺寸级别的纤维具有大的比表面积、良好的分散性、大的长径比，为碳热还原反应提供充足的活性位点，提高反应活性，有利于纳米纤维的碳化及SiC纳米纤维的生成。具体地，作为一种可实施方式，本专利技术中柔性SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料的制备方法，包括以下步骤：(1)前驱体溶液的制备:称取一定质量的硅源加入到极性溶剂后，在室温条件下搅拌4-8h。待充分分散后加入一定质量的聚合物基碳前躯体，继续搅拌4-12h，静置脱泡后备用。(2)前驱体成型:将步骤(1)中所得的前驱体溶液经过溶液喷射纺丝、气电混纺或是离心纺丝等方式，制备得到前驱体纳米纤维毡。(3)前驱体纳米纤维毡的热处理:将步骤(2)中所得的前驱体纳米纤维毡放入到煅烧炉中进行预氧化处理，再置于高温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n取硅源加入到极性溶剂中，10-30℃搅拌4-8h，待分散后加入聚合物基碳源，继续搅拌4-12h，静置脱泡后得到前驱体溶液，备用；/n将所述前驱体溶液经过纺丝方式，制备得到前驱体纳米纤维毡；/n将所述前驱体纳米纤维毡放入到煅烧炉中进行预氧化处理，再置于高温炉内于惰性气体下进行高温碳化处理，待所述高温碳化处理完成后，降至10-30℃后取出，即得到柔性SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡。/n

【技术特征摘要】
20190823 CN 20191078262311.一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
取硅源加入到极性溶剂中，10-30℃搅拌4-8h，待分散后加入聚合物基碳源，继续搅拌4-12h，静置脱泡后得到前驱体溶液，备用；
将所述前驱体溶液经过纺丝方式，制备得到前驱体纳米纤维毡；
将所述前驱体纳米纤维毡放入到煅烧炉中进行预氧化处理，再置于高温炉内于惰性气体下进行高温碳化处理，待所述高温碳化处理完成后，降至10-30℃后取出，即得到柔性SiC纳米纤维/碳纳米纤维复合毡。


2.如权利要求1所述的一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料制备方法，其特征在于，所述硅源包括：
SiO2纳米颗粒、正硅酸乙酯、硅酸异丙酯、聚硅烷、聚碳硅烷、聚硅氮烷中的一种或多种。


3.如权利要求1所述的一种柔性碳化硅纳米纤维/碳纳米纤维复合毡材料制备方法，其特征在于，所述聚合物基碳源包括：
聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚芳醚砜、聚芳硫醚或其共聚物中的一种或多种。


4.如权利要求1所述的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩春梅，李先锋，
申请(专利权)人：苏州纤创智造新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32