一种明胶基碳纳米纤维及其制备方法技术

本发明专利技术一种明胶基碳纳米纤维及其制备方法，包括以下步骤：将明胶固体颗粒加入到去离子水中，加热搅拌后向明胶水溶液中加入能够溶于水且具有高稳定常数的铁（Ⅲ）配合物制成混合纺丝液，静电纺丝制备得到明胶基纤维；将纺成的明胶基纤维经预氧化、碳化处理即得到明胶基碳纳米纤维。本发明专利技术的优点在于采用明胶作为前驱体制备碳纳米纤维，实现了资源的高效利用；采用具有高稳定常数的铁（Ⅲ）配合物作为辅助剂，不仅阻止了三价铁离子与明胶分子发生交联凝聚，同时克服了明胶纤维因玻璃化转变温度低导致在高温下熔化成块状难以保持纤维形貌的缺点。本发明专利技术制备方法简单，环境友好，得到的明胶基碳纳米纤维表面光滑、粗细均匀、孔隙率高，在催化、吸附等领域有一定的应用前景。吸附等领域有一定的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
20 %。
[0007]在本专利技术的优选的实施方式中，步骤S2中，所述的能够溶于水且具有高稳定常数的铁(Ⅲ)配合物包括乙二胺四乙酸铁钠和铁氰化钾。
[0008]在本专利技术的优选的实施方式中，步骤S2中，所述的明胶与铁(Ⅲ)配合物的质量比为2-25。
[0009]在本专利技术的优选的实施方式中，步骤S1和S2中，所述的加热搅拌为在70-90 ℃下加热搅拌2-4 h。
[0010]在本专利技术的优选的实施方式中，步骤S3中，所述的静电纺丝的参数为：纺丝温度为55-80℃，注射器推进速率为0.3-1.3 mL h-1
，纺丝电压控制为10-20 kV。
[0011]在本专利技术的优选的实施方式中，步骤S4中，所述的预氧化条件为：在空气氛围下，从室温以1-5 ℃ min-1
的升温速率升温至100-150 ℃，保温1-2 h，之后以1-2 ℃ min-1
的升温速率升温至250-310 ℃，保温时长为0.5-2 h。
[0012]在本专利技术的优选的实施方式中，步骤S5中，所述的碳化处理条件为：在惰性气体氛围下，从室温以2-5 ℃ min-1
的升温速率升温至500-1000 ℃，保温时长为1-3 h，再自然冷却降至室温。
[0013]在本专利技术的优选的实施方式中，所述的惰性气体氛围氮气、氩气中一种或两种。
[0014]本专利技术还保护上述的制备方法制备得到的明胶基碳纳米纤维。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果在于：1、本专利技术采用具有高稳定常数的铁(Ⅲ)配合物作为辅助剂，其中的Fe
3+
在明胶纤维预氧化过程中能够催化明胶分子的环化与脱氢过程。在相同的预氧化温度下，相比于不加入铁(Ⅲ)配合物的明胶纤维，加入铁(Ⅲ)配合物的明胶纤维能够更快的形成更多的耐热共轭梯形结构，从而提高了明胶的热稳定性，解决了明胶纤维在高温下熔化成块状无法保持纤维形貌这一难题，并配合特定的静电纺丝、预氧化和碳化处理工艺，成功实现了明胶基碳纳米纤维的制备。
[0016]2、利用具有高稳定常数的铁(Ⅲ)配合物中Fe
3+
与配体的强配合作用，可有效避免在配制纺丝液时Fe
3+
与明胶分子发生凝聚沉降，从而保障纺丝的顺利进行。
[0017]3、采用明胶作为碳纳米纤维前驱体，明胶为生物质材料，可以实现资源的高效利用。
[0018]4、采用水作为溶剂，避免了有机溶剂的使用，更加环保。
[0019]5、本专利技术制备方法简单，环境友好，得到的明胶基碳纳米纤维表面光滑、粗细均匀、孔隙率高，在催化、吸附等领域有一定的应用前景。
附图说明
[0020]下面结合附图做进一步的说明。
[0021]图1为实施例1中制备的明胶基碳纳米纤维扫描电镜照片；图2为实施例2中制备的明胶基碳纳米纤维扫描电镜照片；图3为实施例3中制备的明胶基碳纳米纤维扫描电镜照片；图4为对比例中制备的样品扫描电镜照片。
具体实施方式
[0022]下面结合附图和实施例来说明本专利技术的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本专利技术，并不以任何方式限制本专利技术的范围。
[0023]实施例1将1.25 g明胶固体颗粒加入到7 g去离子水中，在70 ℃下加热搅拌2 h，配制得到质量分数为15 %的明胶水溶液。向明胶水溶液中加入62.5 mg的乙二胺四乙酸铁钠，明胶固体与乙二胺四乙酸铁钠质量比为20：1，继续加热搅拌2 h。将上述所得到的明胶/乙二胺四乙酸铁钠混合纺丝液吸入至注射器内，随后装入静电纺丝机器中，在特定的纺丝参数（纺丝温度为70 ℃，注射器推进速率为0.53 mL h-1
，纺丝电压控制为15.0 kV）下进行静电纺丝，得到明胶基纤维。将纺成的明胶基纤维放置于马弗炉中，在特定的预氧化条件（在空气氛围下，从室温以5 ℃ min-1
的升温速率升温至150 ℃，保温2 h，之后以1 ℃ min-1
的升温速率升温至270 ℃，保温时长为1 h）下进行预氧化操作。将已预氧化处理的明胶基纤维放置于管式炉中，经过一定程序的碳化处理（在氩气氛围下，从室温以5 ℃ min-1
的升温速率升温至700 ℃，保温时长为1 h，再自然冷却降至室温）即得到明胶基碳纳米纤维。实施例1得到的明胶基碳纳米纤维见图1所示。
[0024]实施例2改变加入乙二胺四乙酸铁钠粉末的质量为125 mg，即明胶固体与乙二胺四乙酸铁钠粉末质量比为10：1，同时改变纺丝时注射器的推进速率为0.7 mL h-1
，纺丝电压控制为18.5 kV，其他实验条件及过程与实施例1相同。实施例2得到的明胶基碳纳米纤维见图2所示。
[0025]实施例3将1.25 g明胶固体颗粒加入到7 g去离子水中，在70 ℃下加热搅拌2 h，配制得到质量分数为15 %的明胶水溶液。向明胶水溶液中加入110 mg的铁氰化钾，明胶固体与铁氰化钾质量比为125：11，继续加热搅拌2 h。预氧化条件改变为：在空气氛围下，从室温以5 ℃ min-1
的升温速率升温至150 ℃，保温2 h，之后以1 ℃ min-1
的升温速率升温至310 ℃，保温时长为1 h。其他实验条件及过程与实施例1相同。实施例3得到的明胶基碳纳米纤维见图3所示。
[0026]对比例将1.25 g明胶固体颗粒加入到7 g去离子水中，在70 ℃下加热搅拌4 h，配制得到质量分数为15 %的明胶水溶液。将上述所得到的明胶纺丝液吸入至注射器内，随后装入静电纺丝机器中，在特定的纺丝参数（纺丝温度为70 ℃，注射器推进速率为0.7 mL h-1
，纺丝电压控制为18.5 kV）下进行静电纺丝，得到明胶纤维。将纺成的明胶纤维放置于马弗炉中，在特定的预氧化条件（在空气氛围下，从室温以5 ℃ min-1
的升温速率升温至150 ℃，保温2 h，之后以1 ℃ min-1
的升温速率升温至270 ℃，保温时长为1 h）下进行预氧化操作。将已预氧化处理的明胶纤维放置于管式炉中，经过一定程序的碳化处理（在氩气氛围下，从室温以5 ℃ min-1
的升温速率升温至700 ℃，保温时长为1 h，再自然冷却降至室温）即得到对比例样品，见图4所示，由于明胶纤维在高温下熔化，无法保持纤维形貌，制备得到的对比例样品呈现块状。
[0027]以上所述，仅为本专利技术的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。因此，本专利技术的
保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种明胶基碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将明胶固体颗粒加入到去离子水中，加热搅拌使其混合均匀，得到明胶水溶液；S2、向明胶水溶液中加入能够溶于水且具有高稳定常数的铁(Ⅲ)配合物，继续加热搅拌使其混合均匀；S3、将上述所得到的明胶/铁(Ⅲ)配合物混合纺丝液通过静电纺丝，得到明胶基纤维；S4、将纺成的明胶基纤维进行预氧化；S5、将已预氧化处理的明胶基纤维进行碳化处理，即得到明胶基碳纳米纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的明胶水溶液的质量分数为10 %-20 %。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的能够溶于水且具有高稳定常数的铁(Ⅲ)配合物包括乙二胺四乙酸铁钠和铁氰化钾。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的明胶与铁(Ⅲ)配合物的质量比为2-25。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1和S2中，所述的加热搅拌为在70-90 ℃下加热搅拌2-4 h。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，李宁，窦美玲，张正平，牛津，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：