一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法及应用，属于纺织纤维技术领域。本发明专利技术碳纳米纤维多级无纺布是以沥青为基材，依靠添加功能性纳米材料实现纤维的各项异性，再通过熔喷纺丝、预氧化、石墨化制备得到一种碳纳米纤维多级无纺布。本发明专利技术无纺布在具有高比表面积的同时，还通过碳纳米纤维的结构设计在无纺布中形成大量三维空腔结构，并且各级纤维之间表现出各向异性，在保障机械性能的同时保留气体通过性。同时，本发明专利技术所述碳纳米纤维多级无纺布由于其主要化学结构为碳

【技术实现步骤摘要】
一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于纺织纤维
，具体涉及一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]沥青中绝大部分组成为碳元素，还有一些氢、氮、硫元素和灰分。我国煤炭资源丰富，煤焦油沥青产量很大，沥青及其加工产物已广泛用于屋顶防水材料、电极材料、胶粘剂和表面涂料等各个领域。制备功能性碳材料是沥青资源化利用的有效途径。
[0003]近年来，多级纤维网以其孔径小、孔隙率高、比表面积大等结构优势，在个体防护、室内空气净化和工业催化等领域表现出巨大应用潜力。目前多级纤维网主要依靠静电纺丝技术制备，其具有工艺简单、纤维连续、纺丝成本低廉等优点。国内外学者通过静电纺丝设计了多种具有不同结构和形貌的多级纤维网材料，系统研究了纤维直径、表面积、面密度、厚度等结构对所形成的多级纳米纤维膜性能的影响，探讨了其应用性能，并在个体防护、室内空气净化、工业过滤领域实现了部分产业化。然而，由于静电纺纳米纤维网受到产量和结构的限制，其仍存在价格较高、力学性能不佳、产业化推广难度大等缺陷。
[0004]提高载体柔韧性、消除或减弱反应过程中催化剂内部微观结构膨胀
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收缩产生的不良影响，优化织构、减少活性组分聚集，充分发挥材料的纳米效应，实现气固反应速率和传质效率的强化，是目前工业催化剂领域亟需解决的问题。随着科技的发展碳纤维以其优异的性能在结构材料方面得到了广泛的关注，碳纳米纤维网更是在催化领域展现了优异的前景。但截止目前，工业化大规模制备碳纳米纤维多级无纺布的研究和制备方法尚未见报道，因此开发一种沥青基碳纳米纤维多级无纺布具有广阔的市场前景。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了弥补目前工业化碳纳米纤维多级无纺布的市场空白，适应现代化工企业对高比表面积碳纤维无纺布的需求，提供了一种具有三维空腔结构的高比表面积并可高效负载催化剂的碳纳米纤维多级无纺布的制备方法及应用。本专利技术的碳纳米纤维多级无纺布在具有高比表面积的同时，还通过碳纳米纤维的结构设计在无纺布中形成大量三维空腔结构，并且各级纤维之间表现出各向异性，在保障机械性能的同时保留气体通过性。同时，本专利技术所述碳纳米纤维多级无纺布由于其主要化学结构为碳
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碳，其还具有高温稳定性、耐化学腐蚀性以及质量密度小等优点。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将功能纳米材料与分散剂按照质量比100:1
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20混合均匀，加入到球磨机中研磨，得到适用于沥青熔喷纺丝的功能性添加剂；
[0009](2)将适用于沥青熔喷纺丝的功能性添加剂与沥青材料按照质量比1:10
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100混合均匀后通过螺杆挤出机共混造粒制备沥青熔喷母粒；
[0010](3)将沥青熔喷母粒加入到熔喷纺丝机中形成熔体，熔体通过喷丝孔挤出，经空气冷却固化后形成初生沥青纤维网；
[0011](4)将初生沥青纤维网经过碱洗、水洗处理后，再进行预氧化、牵伸碳化和石墨化热处理，最终制成具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布。初生沥青纤维网碱洗、水洗具体为使用5
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10％的NaOH水溶液洗涤，然后水洗至中性即可。
[0012]优选的，步骤(1)所述纳米材料为纳米级金属氧化物或者纳米级非金属氧化物。纳米材料的主要功能是使得熔喷纤维各向异性，用以搭建多级纳米纤维网结构。
[0013]更优选的，步骤(1)所述纳米材料为石墨烯或碳纳米管。
[0014]优选的，步骤(1)所述分散剂为硬脂酸、聚氧乙烯辛基苯酚醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种。
[0015]优选的，步骤(2)所述沥青材料为煤基沥青、石油基沥青、橡胶沥青中的一种或几种。
[0016]优选的，步骤(2)螺杆挤出机为双螺杆挤出机或单螺杆挤出机。
[0017]优选的，步骤(3)熔体通过喷丝孔挤出可辅以0.3Mpa左右的高压气体，以形成各向异性的熔体细流，方便纺丝。
[0018]优选的，步骤(4)预氧化、牵伸碳化和石墨化热处理的具体方法为：
[0019]A.预氧化：使用具有氧化性的浓酸在超声辅助下处理0.5
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10h，而后从酸浴中捞出无纺布，并在空气中迅速加热至200
‑
500℃，并保持0.5
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1.5h；
[0020]B.牵伸碳化：预氧化后的无纺布在大于85Kpa的高压惰性气体的保护下迅速升温至1200℃以上，并保持0.5
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10h；
[0021]C.石墨化：牵伸碳化后进一步升温至大于2000℃并保持0.5
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10h，以提高产品的石墨化程度，最后进行超声波水洗除去杂质，干燥后得到终产品。
[0022]优选的，步骤A和步骤B中升温速度大于10℃/min。
[0023]优选的，步骤A中，浓酸为98％浓硫酸、85％浓磷酸、68％浓硝酸中的一种或多种。
[0024]本专利技术所制备的无纺布可以作为催化剂载体通过气相沉积的形式制备高性能催化剂，或者作为基材通过其他负载方式提高功能性，制备具有多种功能的空气过滤材料、催化材料、吸附材料使用。
[0025]有益效果
[0026]本专利技术方法适用于沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备，提高了沥青的附加值及应用领域，便于大规模加工生产，工艺简单，操作方便，便于实施。制备的具有三维空腔的沥青基碳纳米纤维多级无纺布各项指标性能优良，比表面积大，并且在负载催化剂后具有良好的催化功能。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例1初生沥青纤维网显微镜照片；
[0028]图2为本专利技术实施例1所得具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布中纤维的显微镜照片以及局部放大图；
[0029]图3为本专利技术实施例1具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布中纤维表面放大的显微镜照片。
具体实施方式
[0030]下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明，但不限于此。
[0031]实施例1
[0032]一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法，包括以下步骤：
[0033](1)将功能纳米材料与分散剂按照质量比100:20混合均匀，加入到球磨机中研磨，得到适用于沥青熔喷纺丝的功能性添加剂；
[0034](2)将适用于沥青熔喷纺丝的功能性添加剂与沥青材料按照质量比1:100混合均匀后通过螺杆挤出机共混造粒制备沥青熔喷母粒；
[0035](3)将沥青熔喷母粒加入到熔喷纺丝机中形成熔体，熔体通过喷丝孔挤出，经空气冷却固化后形成初生沥青纤维网；
[0036](4)将初生沥青纤维网经过碱洗、水洗处理后，再进行预氧化、牵伸碳化和石墨化热处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将功能纳米材料与分散剂按照质量比100:1
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20混合均匀，加入到球磨机中研磨，得到适用于沥青熔喷纺丝的功能性添加剂；(2)将适用于沥青熔喷纺丝的功能性添加剂与沥青材料按照质量比1:10
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100混合均匀后通过螺杆挤出机共混造粒制备沥青熔喷母粒；(3)将沥青熔喷母粒加入到熔喷纺丝机中形成熔体，熔体通过喷丝孔挤出，经空气冷却固化后形成初生沥青纤维网；(4)将初生沥青纤维网经过碱洗、水洗处理后，再进行预氧化、牵伸碳化和石墨化热处理，最终制成具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布。2.根据权利要求1所述具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述纳米材料为纳米级金属氧化物或者纳米级非金属氧化物。3.根据权利要求2所述具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述纳米材料为石墨烯或碳纳米管。4.根据权利要求1所述具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述分散剂为硬脂酸、聚氧乙烯辛基苯酚醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种。5.根据权利要求1所述具有三维空腔结构的沥青基碳纳米纤维多级无纺布的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述沥青材料为煤基沥青、石油基沥青、橡胶沥青中的一种或几种。6.根据权利要求1所述具有三维空腔结...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵舟，王琨，王进美，王晓伟，
申请(专利权)人：晋中经纬技协机械有限公司，
类型：发明
国别省市：