專利名稱：同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳纖維的制備技術(shù)，特別涉及一種同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維。
背景技術(shù)：
納米碳纖維是一種十分獨特的納米碳材料，具有許多與眾不同的性質(zhì)，它除了具有普通碳纖維的特性如低密度、高比模量、高比強度、高導電性等性能外，還具有缺陷數(shù)量非常少、比表面積大、導電性能好、結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點，可望用于催化劑或催化劑載體、儲氫材料、鋰離子二次電池陽極材料、雙電層電容器電極、高效吸附劑、分離劑、結(jié)構(gòu)增強材料等。申請?zhí)枮镃N99116576.4公開了一種低噪音碳纖維納米電極的制備方法，采用火焰熔融及火焰蝕刻技術(shù)制備了尖端直徑為100-300nm的低噪音碳纖維納米電極。該方法制備簡單優(yōu)良、成本低、電極的電化學性能優(yōu)良，具有不滲漏、噪音低、靈敏度高的特點。申請?zhí)枮镃N99112902.4公開了一種納米碳纖維儲氫材料的制備技術(shù)，制備出的納米碳纖維直徑在5-100nm，使用該方法可以制備出儲氫量大、性能穩(wěn)定的儲氫材料，且簡便易行，適合工業(yè)化生產(chǎn)。但是，上述發(fā)明技術(shù)多集中在對納米碳纖維在儲氫及電極方面的研究，未涉及到對納米碳纖維表面浸潤性的研究。本發(fā)明人一在先申請的發(fā)明專利，申請?zhí)枮镃N01110291.8，提供了一種超雙疏性(同時疏水疏油)薄膜的制備方法，該薄膜是由具有陣列結(jié)構(gòu)的納米管或納米纖維經(jīng)過表面處理后組成的。該發(fā)明具有制備工藝簡單、疏水疏油效果好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點；但該發(fā)明中的超雙疏薄膜需要用疏水劑進行表面處理。本發(fā)明人另一在先申請的發(fā)明專利，申請?zhí)枮?1120628.4，提供了一種具有超疏水性表面的聚合物納米纖維束的制法，所制得聚合物納米纖維束縱向表面不需任何表面處理即表現(xiàn)為超疏水性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維。該纖維無需進行表面處理，且纖維的縱向表面不僅具有超疏水性，而且具有超疏酸、超疏堿的性質(zhì)。
本發(fā)明的同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維，是通過下面方法制備得到的采用本發(fā)明人在先申請的發(fā)明專利技術(shù)，申請?zhí)枮镃N01115530.2，制備具有超疏水性表面的聚丙烯腈納米纖維，該聚丙烯腈納米纖維的直徑為20-500nm。
該方法可采用模板擠壓法制備聚丙烯腈納米纖維，以孔徑為20-500nm的多孔氧化鋁為模板，1.以重量百分比濃度為17-25％的聚丙烯腈的二甲基甲酰胺溶液為原溶液，以重量百分比濃度為40-60％的二甲基甲酰胺溶液為凝固液；將原溶液擠入到凝固液中，其中原溶液的擠入量以聚丙烯腈凝固為準；或2.以重量百分比濃度為18-21％的聚丙烯腈的二甲基乙酰胺溶液為原溶液，以重量百分比濃度為40-65％的二甲基乙酰胺溶液為凝固液；將原溶液擠入到凝固液中，其中原溶液的擠入量以聚丙烯腈凝固為準；或3.以氯化鋅-氯化鈉的混合水溶液為溶劑，配制重量百分比濃度為8-12％的聚丙烯腈溶液為原溶液，其中氯化鋅占溶劑總量50-55％，氯化鈉占3-6％，其余為水；以氯化鋅-氯化鈉的混合水溶液為凝固液，其中氯化鋅占13-16％，氯化鈉占0.5-1.5％，其余為水；將原溶液擠入到凝固液中，其中原溶液的擠入量以聚丙烯腈凝固為準。
制備出的聚丙烯腈納米纖維的直徑為20-500nm。
將聚丙烯腈納米纖維經(jīng)過預氧化及碳化過程制備出同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維。
所述的聚丙烯腈納米纖維的預氧化過程是在溫度為200-300℃，將聚丙烯腈納米纖維在空氣浴中恒溫加熱1/3-2小時，制得聚丙烯腈的預氧化絲。
所述的聚丙烯腈納米纖維的碳化過程是在溫度為900-1600℃，將制得的聚丙烯腈的預氧化絲在高純氮氣浴中恒溫加熱1/2-4小時，得到同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維。
將純水、酸或堿滴到所制的同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維的縱向表面進行接觸角測定，接觸角均大于150°。所用酸包括硫酸、硝酸或鹽酸。所用堿包括氫氧化鈉、氫氧化鉀或氨水。所用溶液pH值為1-14。
本發(fā)明的同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維，在許多方面均有良好的用途1.本發(fā)明的納米碳纖維具有不粘水、不粘酸、不粘堿的特征，可用于防污表面處理，特別適用于易腐蝕性材料的表面處理。
2.將本發(fā)明的納米碳纖維用于水中運輸工具或水下核潛艇上，可以減少水的阻力，提高行駛速度。
3.本發(fā)明的同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維可用于無損失超微量液體的輸送及液體的限域定位。
4.將本發(fā)明的同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維用于微量注射器針尖上，可以完全消除昂貴藥品在針尖上的粘附及由此帶來的對針尖的污染。
5.本發(fā)明的同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維可用于無吸附蛋白質(zhì)分離。
采用本發(fā)明的方法制得的納米碳纖維，具有以下特點1.制備工藝簡單，原料易得。以聚丙烯腈納米纖維為原料，經(jīng)過預氧化階段及碳化階段，制備納米碳纖維。
2.所制得的碳纖維為聚丙烯腈基納米碳纖維，纖維的直徑為5-300nm。
3.所制得的碳纖維縱向具有納米級凸凹不平的粗糙表面，該表面表現(xiàn)出超疏水性，即對水的接觸角大于150°。
4.所制得的碳纖維具有良好的耐熱及耐酸堿腐蝕性，其縱向表面表現(xiàn)出超疏酸及超疏堿的性質(zhì)，即對酸及堿的接觸角均大于150°。
5.所制得的碳纖維縱向表面對水溶液的接觸角在全pH值范圍內(nèi)均大于150°。
下面結(jié)合實施例及附圖詳述本發(fā)明


圖1.本發(fā)明實施例1的納米碳纖維表面的掃描電子顯微鏡照片。
圖2.本發(fā)明實施例1的水滴在納米碳纖維表面的靜態(tài)接觸角照片。
圖3.本發(fā)明實施例1的濃硫酸在納米碳纖維表面的靜態(tài)接觸角照片。
圖4.本發(fā)明實施例1的飽和氫氧化鈉在納米碳纖維表面的靜態(tài)接觸角照片。
圖5.本發(fā)明實施例1的不同pH值的溶液在碳納米纖維表面的靜態(tài)接觸角測定結(jié)果。
具體實施例方式
實施例11.用模板擠壓法，以孔徑為100nm的多孔氧化鋁為模板，以重量百分比濃度為18％的聚丙烯腈的二甲基甲酰胺溶液為原溶液，以重量百分比濃度為40％的二甲基甲酰胺溶液為凝固液，制備出直徑為104.6nm的聚丙烯腈納米纖維。
2.將上述聚丙烯腈納米纖維置于管式爐中，在恒溫220℃，空氣浴中加熱1小時，制得聚丙烯腈的預氧化絲，該預氧化絲具有耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，可以阻止進一步加熱過程中可能造成的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生紊亂，使其在高溫碳化時不熔不燃，保持纖維形態(tài)。
3.將以上制得的聚丙烯腈的預氧化絲在900℃，高純氮氣浴中加熱1小時，待冷卻到25℃時停止通氮氣，關(guān)閉管式爐，取出樣品，得到納米碳纖維。
該納米碳纖維的縱向表面的掃描電子顯微鏡照片如附圖1所示，水滴在該納米碳纖維縱向表面的靜態(tài)接觸角照片如附圖2所示，濃硫酸在該納米碳纖維縱向表面的靜態(tài)接觸角照片如附圖3所示，飽和氫氧化鈉在該納米碳纖維縱向表面的靜態(tài)接觸角照片如附圖4所示。不同pH值的溶液在碳納米纖維表面的靜態(tài)接觸角測定結(jié)果如附圖5所示。
該納米碳纖維平均直徑為41.8nm，纖維與纖維間的平均距離為52.3nm；該納米碳纖維縱向表面對水的接觸角測定值為161.2°；該納米碳纖維縱向表面對濃硫酸的接觸角測定值為158.9°；該納米碳纖維縱向表面對飽和氫氧化鈉的接觸角測定值為159.3°。
實施例21.采用模板擠壓法，以孔徑為50nm的多孔氧化鋁為模板，以重量百分比濃度為20％的聚丙烯腈的二甲基乙酰胺溶液為原溶液，以重量百分比濃度為45％的二甲基乙酰胺溶液為凝固液，制備出直徑為51.3nm的聚丙烯腈納米纖維。
2.將上述聚丙烯腈納米纖維置于管式爐中，在恒溫270℃，空氣浴中加熱1/3小時，制得聚丙烯腈的預氧化絲。
3.將以上制得的聚丙烯腈的預氧化絲在1500℃，高純氮氣浴中加熱1.5小時，待冷卻到30℃時停止通氮氣，關(guān)閉管式爐，取出樣品，得到納米碳纖維。
該納米碳纖維平均直徑為23.7nm，纖維與纖維間的平均距離為36.7nm；該納米碳纖維縱向表面對水的接觸角測定值為155.2°；該納米碳纖維縱向表面對濃鹽酸的接觸角測定值為153.8°；該納米碳纖維縱向表面對氨水的接觸角測定值為154.6°。
實施例31.采用模板擠壓法，以孔徑為200nm的多孔氧化鋁為模板，以組成為含52％氯化鋅、5％氯化鈉的混合水溶液為溶劑，配制重量百分比濃度為10％的聚丙烯腈溶液為原溶液；以組成為含16％氯化鋅、0.8％氯化鈉的氯化鋅-氯化鈉的混合水溶液(重量百分比)為凝固液，制備出直徑為206.7nm的聚丙烯腈納米纖維。
2.將上述聚丙烯腈納米纖維置于管式爐中，在恒溫250℃，空氣浴中加熱0.5小時，制得聚丙烯腈的預氧化絲。
3.將以上制得的聚丙烯腈的預氧化絲在1100℃，高純氮氣浴中加熱2小時，待冷卻到28℃時停止通氮氣，關(guān)閉管式爐，取出樣品，得到納米碳纖維。
該納米碳纖維平均直徑為96.7nm，纖維與纖維間的平均距離為123.6nm；該納米碳纖維縱向表面對水的接觸角測定值為153.2°；該納米碳纖維縱向表面對濃硝酸的接觸角測定值為156.9°；該納米碳纖維縱向表面對飽和氫氧化鉀的接觸角測定值為151.3°。
權(quán)利要求
1.一種同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維，其特征是所述的納米碳纖維是通過下面方法制備得到的將聚丙烯腈納米纖維經(jīng)過預氧化及碳化過程制備出同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維；所述的聚丙烯腈納米纖維的預氧化過程是在溫度為200-300℃，將聚丙烯腈納米纖維在空氣浴中恒溫加熱1/3-2小時，制得聚丙烯腈的預氧化絲；所述的聚丙烯腈納米纖維的碳化過程是在溫度為900-1600℃，將制得的聚丙烯腈的預氧化絲在高純氮氣浴中恒溫加熱1/2-4小時，得到同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的納米碳纖維，其特征是所述的納米碳纖維的纖維直徑為5-300nm。
3.如權(quán)利要求1所述的納米碳纖維，其特征是所述的聚丙烯腈納米纖維是采用模板擠壓法制備得到的，其是以孔徑為20-500nm的多孔氧化鋁為模板，以重量百分比濃度為17-25％的聚丙烯腈的二甲基甲酰胺溶液為原溶液，以重量百分比濃度為40-60％的二甲基甲酰胺溶液為凝固液；將原溶液擠入到凝固液中，其中原溶液的擠入量以聚丙烯腈凝固為準；或以重量百分比濃度為18-21％的聚丙烯腈的二甲基乙酰胺溶液為原溶液，以重量百分比濃度為40-65％的二甲基乙酰胺溶液為凝固液；將原溶液擠入到凝固液中，其中原溶液的擠入量以聚丙烯腈凝固為準；或以氯化鋅-氯化鈉的混合水溶液為溶劑，配制重量百分比濃度為8-12％的聚丙烯腈溶液為原溶液，其中氯化鋅占溶劑總量50-55％，氯化鈉占3-6％，其余為水；以氯化鋅-氯化鈉的混合水溶液為凝固液，其中氯化鋅占13-16％，氯化鈉占0.5-1.5％，其余為水；將原溶液擠入到凝固液中，其中原溶液的擠入量以聚丙烯腈凝固為準；制備出的聚丙烯腈納米纖維的直徑為20-500nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及碳纖維的制備技術(shù)，特別涉及一種同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維。將聚丙烯腈納米纖維經(jīng)過預氧化及碳化過程制備出同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維；所述的聚丙烯腈納米纖維的預氧化過程是在溫度為200－300℃，將聚丙烯腈納米纖維在空氣浴中恒溫加熱1/3－2小時，制得聚丙烯腈的預氧化絲；所述的聚丙烯腈納米纖維的碳化過程是在溫度為900－1600℃，將制得的聚丙烯腈的預氧化絲在高純氮氣浴中恒溫加熱1/2－4小時，得到同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米碳纖維。將純水、酸或堿滴到納米碳纖維的縱向表面進行接觸角測定，接觸角均大于150°。
文檔編號D01F9/14GK1468987SQ0212155
公開日2004年1月21日 申請日期2002年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月17日
發(fā)明者馮琳, 楊振忠, 江雷, 馮 琳 申請人:中國科學院化學研究所