新颖碳纳米纤维和制造方法技术

公开了一种产生碳纳米纤维的方法，其实质上影响所述碳纳米纤维的化学和物理性质。此类碳纳米纤维包含通过范围从0.1nm至1nm并定向平行于相应碳纳米纤维的轴线的波状石墨平面所表征的半石墨碳材料，所述半石墨碳材料还通过包含4至10原子百分比的氮杂原子来表征，所述氮杂原子包括等于或大于所述氮杂原子的60％的季氮基和吡啶型氮基的组合百分比。所述制造方法包括，例如，制备基于聚丙烯腈(PAN)的前体溶液，将所述基于PAN的前体溶液提供给喷丝头，然后对所述基于PAN的前体溶液执行电纺丝操作以创建一种或多种基于PAN的纳米纤维。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】新颖碳纳米纤维和制造方法
本公开涉及具有新颖和有利性质的碳纳米纤维。本公开还涉及制造此类碳纳米纤维的方法。
技术介绍
碳是具有高水平的化学键合柔性的几种元素之一。这种柔性适宜于形成包括金刚石、石墨和富勒烯的各种各样的同素异形体，虽然全部都基本上由元素碳组成，但是其性质大大变化。一个特别相关的感兴趣领域是碳纳米纤维(CNF)和碳纳米管(CNT)的形成。虽然CNF和CNT均为纳米级并以类似的方式产生，但是存在影响其可制造性以及化学和物理性质的显著差异。然而，尚未完全地探索不同的CNT和CNF材料的完整范围。附图说明当结合附图进行时，本公开的特征和性质将从在下面阐述的详细描述中变得更显而易见，在附图中附图标记标识对应的项目。图1是概述用于制造新颖碳纳米纤维(CNF)的示例性操作的流程图。图2描绘了可用于产生关于图1讨论的新颖CNF的电纺丝装置的实例。图3描绘了图2的电纺丝装置的变体，其也可用于产生关于图1讨论的新颖CNF。图4A-4K描绘了用于图3中所示的电极的各种电极配置。图5提供了通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生一种或多种碳纳米纤维的方法，所述碳纳米纤维包含通过范围从0.1nm至1nm并定向平行于相应碳纳米纤维的轴线的波状石墨平面所表征的半石墨碳材料，所述半石墨碳材料还通过包含4至10原子百分比的氮杂原子来表征，所述氮杂原子包括等于或大于所述氮杂原子的60％的季氮基和吡啶型氮基的组合百分比，所述方法包括：/n制备基于聚丙烯腈(PAN)的前体溶液；/n将所述基于PAN的前体溶液提供给喷丝头；/n对所述基于PAN的前体溶液执行电纺丝操作，然后对所述基于PAN的纤维执行热解以创建所述一种或多种碳纳米纤维，其中所述电纺丝操作包括在所述喷丝头与收集器之间提供交流(AC)电压的同时以1cm至30cm的...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种产生一种或多种碳纳米纤维的方法，所述碳纳米纤维包含通过范围从0.1nm至1nm并定向平行于相应碳纳米纤维的轴线的波状石墨平面所表征的半石墨碳材料，所述半石墨碳材料还通过包含4至10原子百分比的氮杂原子来表征，所述氮杂原子包括等于或大于所述氮杂原子的60％的季氮基和吡啶型氮基的组合百分比，所述方法包括：
制备基于聚丙烯腈(PAN)的前体溶液；
将所述基于PAN的前体溶液提供给喷丝头；
对所述基于PAN的前体溶液执行电纺丝操作，然后对所述基于PAN的纤维执行热解以创建所述一种或多种碳纳米纤维，其中所述电纺丝操作包括在所述喷丝头与收集器之间提供交流(AC)电压的同时以1cm至30cm的距离将所述基于PAN的前体溶液从所述喷丝头传递到所述收集器，所述AC电压包括范围从20Hz至100000Hz的频率以及范围从100V至30000V的峰-峰(P-P)电压或范围从100V至30000V的均方根(RMS)电压；
对所述一种或多种碳纳米纤维执行电纺丝后操作，所述电纺丝后操作包括机械处理和化学处理；
对所述一种或多种基于PAN的纳米纤维执行稳定化处理，所述稳定化处理包括加热所述一种或多种基于PAN的纳米纤维；以及
在执行所述电纺丝后操作和稳定化处理之后，对所述一种或多种基于PAN的纳米纤维执行热解处理，所述热解处理包括在含有小于1％的氧的惰性气氛中加热所述一种或多种基于PAN的纳米纤维。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电纺丝操作还包括以1cm至30cm之间的距离在所述喷丝头与所述集电器之间提供直流(DC)电压，同时将所述基于PAN的前体溶液从所述喷丝头传递到所述集电器，所述电压范围从约正或负100V至约正或负30000V。


3.根据权利要求2所述的方法，其中在含有饱和度大于10％的处于范围从10℃至100℃的温度下的所述前体溶液溶剂的蒸气的气氛中执行所述电纺丝操作。


4.根据权利要求3所述的方法，其中在最小饱和度为45％的处于范围从10℃至100℃的温度下的环境气氛中执行所述电纺丝操作。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述基于PAN的前体溶液在溶剂中包括按重量计6％至20％的PAN。


6.根据权利要求5所述的方法，其中所述溶剂包括二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、碳酸亚丙酯(PC)中的至少一种以及DMSO、DMF或PC中的任一种或全部的组合，并且其中所述溶剂具有按重计小于5％的水。


7.根据权利要求5所述的方法，其中制备所述基于PAN的前体溶液包括在范围从25℃至130℃的温度下经由对流混合操作使所述PAN溶解在所述溶剂中，直到所述PAN完全溶解或持续1小时至1周为止，其中所述PAN具有范围从100000至500000的分子量。


8.根据权利要求1所述的方法，其中
所述电纺丝后操作的所述机械处理包括热压延和/或热拉伸中的一种或两种；并且
所述电纺丝后操作的所述化学处理包括将所述一种或多种碳纳米纤维浸在5％至30％的过氧化氢溶液中，然后从所述一种或多种碳纳米纤维中除去任何剩下的溶剂和/或任何剩下的过氧化氢。


9.根据权利要求8所述的方法，其中
所述热压延在范围从50℃至300℃的温度和范围从20kPa至2000kPa的应力下机械地压缩所述一种或多种基于PAN的纳米纤维；并且
所述热拉伸将所述一种或多种碳纳米纤维伸长所述一种或多种基于PAN的纳米纤维的原始长度的5％-50％。


10.根据权利要求8所述的方法，其中所述稳定化处理包括在执行所述机械处理的同...

【专利技术属性】
技术研发人员：森夏恩·霍姆伯格，斯托扬·阿塔纳索夫·拉德科夫，
申请(专利权)人：Cence公司，
类型：发明
国别省市：美国;US