專(zhuān)利名稱(chēng)：一種碳材料、碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳材料、碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
納米、微米碳球和碳纖維的通常是指直徑為幾十納米到幾百微米的碳材料。納米、微米碳球和碳纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性和較大的比表面積，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的碳材料。目前納米、微米碳球和碳纖維已被廣泛應(yīng)用于負(fù)載催化劑、吸附污染物和制備超級(jí)電容器和鋰離子電池等。通常，納米、微米碳球采用電弧發(fā)電法、激光蒸發(fā)法、電化學(xué)氣相沉積法及催化合成法制備。這些方法中碳源通常是有機(jī)碳?xì)湫》肿?，?甲烷、乙炔、乙烯等等，很少有采用有機(jī)聚合物作為制備納米、微米碳球的碳源材料。如公開(kāi)號(hào)為CN10183547A的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種微米碳球的制備方法，該方法采用雜多酸為催化劑，以呋喃樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂或者活浙青樹(shù)脂為碳源，以高純氬氣作為保護(hù)氣，以乙醇或者二甲基亞砜為溶劑，制備微米碳球。這種方法原料昂貴和大量使用溶劑限制了其大規(guī)模制備微米碳球。再如公開(kāi)號(hào)為CN10774577A的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種微米碳球的方法，該方法使用流化床反應(yīng)器或者噴霧干燥器制備酚醛樹(shù)脂微球，然后以高純氬氣作為保護(hù)氣，碳化酚醛樹(shù)脂微球制備微米碳球，該方法所用設(shè)備復(fù)雜而且工藝繁瑣。與此同時(shí)，納米、微米碳球和碳纖維及其四氧化三鐵的復(fù)合物也逐漸引起人們的重視，這類(lèi)材料結(jié)合了納米、微米碳球和碳纖維優(yōu)異的性能和四氧化三鐵催化活性和磁性的優(yōu)點(diǎn)，在光催化降解有機(jī)污染物、磁性吸附分離重金屬離子和有機(jī)污染物以及與聚合物復(fù)合等方面具有潛在的應(yīng)用前景。目前制備納米、微米碳球/四氧化三鐵的方法較少。RongboZheng等報(bào)導(dǎo)了采用超聲噴霧熱解的方法制備負(fù)載有四氧化三鐵納米粒子的微米碳球(RongboZheng,Xianwei Mengj Fangqiong Tang.High-Density Magnetite Nanoparticles Locatedin Carbon Hollow Microspheres with Good Dispersibility and DurabiIity:TheirOne-Pot Preparation and Magnetic Properties.European Journal of InorganicChemistry, 20:3003 3007.)，利用氯化亞鐵和檸檬酸作為原料，采用超聲噴霧熱解的方法制備了表面負(fù)載有四氧化三鐵納米粒子的微米碳球。這種方法制備時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)率較低。再如目前利用聚氯乙烯或者氯化聚氯乙烯作為前驅(qū)體制備納米、微米碳纖維的關(guān)鍵問(wèn)題是如何快速脫氯化氫使其交聯(lián)碳化。W.M.Qiao等報(bào)道了一種制備碳纖維的方 法(ff.M.Qiao, S.H.Yoon, Y.Korai, 1.Mochida, S.1noue, T.Sakurai, T.Shimohara.Preparation of activated carbon fibers from polyvinyl chloride.Carbon, 7(24):1327 1331.)，該方法兩 步脫氯的方法，來(lái)制備碳纖維。但是該科技文獻(xiàn)報(bào)道的工藝比較繁瑣，方法比較復(fù)雜，產(chǎn)率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于碳材料、碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法，本發(fā)明提供的方法得到的碳材料、碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的產(chǎn)率高。本發(fā)明提供了一種碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:將氯化聚氯乙烯和鐵化合物混合，得到氯化聚氯乙烯-鐵混合物；將所述氯化聚氯乙烯-鐵混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，得到碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明提供了一種碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:將氯化聚氯乙烯和鐵化合物在有機(jī)溶劑中混合，將得到的混合溶液進(jìn)行溶液紡絲，得到氯化聚氯乙烯纖維-鐵混合物；將所述氯化聚氯乙烯纖維-鐵混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料。優(yōu)選的，所述氯化聚氯乙烯與鐵化合物的質(zhì)量比為(85 99.5): (0.5 15)。優(yōu)選的，所述加熱的溫度為250°C 950°C。優(yōu)選的，所述鐵化合物為氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氫氧化亞鐵和氫氧化鐵中的一種或幾種。優(yōu)選的，所述有機(jī)溶劑為四氫呋喃，N，N-二甲基甲酰胺，鄰二氯苯，二甲基亞砜和丙酮中的一種或幾種。優(yōu)選的，所述溶液紡絲的電壓為5KV 40KV ；所述溶液紡絲中噴絲頭與收集器的距離為5厘米 30厘米。本發(fā)明提供了一種碳球的制備方法，包括以下步驟:將上述技術(shù)方案所述制備方法得到的碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后沉淀分離，得到碳球。本發(fā)明提供了一種碳纖維的制備方法，包括以下步驟:將上述技術(shù)方案所述制備方法得到的碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后沉淀分離，得到碳纖維。優(yōu)選的，所述酸性溶液的摩爾濃度為0.5mol/L 2.0mol/L。本發(fā)明提供了一種碳材料、碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明提供的方法以氯化聚氯乙烯與鐵化合物為原料，將氯化聚氯乙烯與鐵化合物直接混合，得到氯化聚氯乙烯-鐵復(fù)合物；或?qū)⒙然勐纫蚁┡c鐵化合物在有機(jī)溶劑中溶解，然后將得到的混合溶液進(jìn)行溶液紡絲，得到氯化聚氯乙烯纖維-鐵復(fù)合物；然后將得到的氯化聚氯乙烯-鐵復(fù)合物或氯化聚氯乙烯纖維-鐵復(fù)合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，冷卻后得到碳球-鐵復(fù)合材料或碳纖維-鐵復(fù)合材料。本發(fā)明為了得到碳材料，將上述制備得到的碳球-鐵復(fù)合材料或碳纖維-鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后進(jìn)行沉淀分離，得到碳球或碳纖維。本發(fā)明提供的方法以氯化聚氯乙烯作為合成碳材料或碳-鐵化合物復(fù)合材料的碳源材料，在鐵化合物的快速催化下，在燃燒反應(yīng)過(guò)程中氯化聚氯乙烯進(jìn)行脫氯化氫和交聯(lián)作用，合成碳-四氧化三鐵復(fù)合材料或碳材料。本發(fā)明提供的方法工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)率較高。本發(fā)明實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明提供的方法制備碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料的得率可高達(dá)42.0%，制備碳球的得 率可高達(dá)32.8%。
具體實(shí)施例方式一種碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:將氯化聚氯乙烯和鐵化合物混合，得到氯化聚氯乙烯-鐵混合物；將所述氯化聚氯乙烯-鐵混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，得到碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明提供的方法以氯化聚氯乙烯為碳源，在鐵化合物的催化作用下，進(jìn)行燃燒反應(yīng)，脫去氯化氫和進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，得到碳-四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明提供方法工藝和操作簡(jiǎn)單，得到的碳-四氧化三鐵得率高。本發(fā)明將氯化聚氯乙烯和鐵化合物混合，得到氯化聚氯乙烯-鐵混合物。本發(fā)明對(duì)所述氯化聚氯乙烯和鐵化合物混合的方法沒(méi)有特殊的限制，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的固體物料混合的技術(shù)方案即可。本發(fā)明優(yōu)選將氯化聚氯乙烯和鐵化合物置于球磨機(jī)中，進(jìn)行攪拌混合，得到氯化聚氯乙烯-鐵混合物。在本發(fā)明中，所述氯化聚氯乙烯的粒徑優(yōu)選為50納米 500微米，更優(yōu)選為70納米 480微米，最優(yōu)選為100納米 450微米；所述鐵化合物優(yōu)選為氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氫氧化亞鐵和氫氧化鐵中的一種或幾種；所述鐵化合物的粒徑優(yōu)選為5納米 50微米，更優(yōu)選為10納米 45微米，最優(yōu)選為20納米 40微米；所述氯化聚氯乙烯與鐵化合物的質(zhì)量比優(yōu)選為(85 99.5): (0.5 15)，更優(yōu)選為(87 98): (2 13)，最優(yōu)選為(90 95): (5 10)。在本發(fā)明中，所述氯化聚氯乙烯和鐵化合物攪拌混合的速率優(yōu)選為50轉(zhuǎn)/分 100轉(zhuǎn)/分，更優(yōu)選為60轉(zhuǎn)/分 90轉(zhuǎn)/分,最優(yōu)選為70轉(zhuǎn)/分 85轉(zhuǎn)/分；所述氯化聚氯乙烯與鐵化合物攪拌混合的時(shí)間優(yōu)選為5分鐘 20分鐘，更優(yōu)選為8分鐘 18分鐘，最優(yōu)選為10分鐘 15分鐘。得到氯化聚氯乙烯-鐵 的混合物后，本發(fā)明將所述氯化聚氯乙烯-鐵混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，得到碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明優(yōu)選將所述氯化聚氯乙烯-鐵混合物置于陶瓷坩堝中，加蓋后進(jìn)行加熱，氯化聚氯乙烯開(kāi)始燃燒，直至氯化聚氯乙烯燃燒完全，陶瓷坩堝上方無(wú)火焰產(chǎn)生，冷卻至室溫，得到碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料。在本發(fā)明中，所述加熱的溫度優(yōu)選為250°C 950°C，更優(yōu)選為280°C 920°C，最優(yōu)選為300°C 900°C。本發(fā)明提供了一種碳纖維-四氧化三鐵的制備方法，包括以下步驟:將氯化聚氯乙烯和鐵化合物在有機(jī)溶劑中混合，將得到的混合溶液進(jìn)行溶液紡絲，得到氯化聚氯乙烯纖維-鐵混合物；將所述氯化聚氯乙烯纖維-鐵混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明將氯化聚氯乙烯和鐵化合物在有機(jī)溶劑中混合，然后將得到的混合溶液進(jìn)行溶液紡絲，得到氯化聚氯乙烯纖維-鐵混合物。在本發(fā)明中，所述氯化聚氯乙烯的粒徑優(yōu)選為50納米 500微米，更優(yōu)選為70納米 480微米，最優(yōu)選為100納米 450微米；所述鐵化合物優(yōu)選為氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氫氧化亞鐵和氫氧化鐵中的一種或幾種；所述鐵化合物的粒徑優(yōu)選為5納米 50微米，更優(yōu)選為10納米 45微米，最優(yōu)選為20納米 40微米；所述氯化聚氯乙烯與鐵化合物的質(zhì)量比優(yōu)選為(85 99.5): (0.5 15)，更優(yōu)選為(87 98): (2 13)，最優(yōu)選為(90 95): (5 10);
在本發(fā)明中，所述有機(jī)溶劑為四氫呋喃，N, N- 二甲基甲酰胺，鄰二氯苯，二甲基亞砜和丙酮中的一種或幾種，更優(yōu)選為四氫呋喃，N，N-二甲基甲酰胺，鄰二氯苯，二甲基亞砜和丙酮中的一種或兩種，當(dāng)所述有機(jī)溶劑為四氫呋喃，N，N-二甲基甲酰胺，鄰二氯苯，二甲基亞砜和丙酮中的兩種時(shí)，有機(jī)溶劑中的兩組份質(zhì)量比優(yōu)選為(5 95): (95 5)，更優(yōu)選為(10 90): (90 10)，最優(yōu)選為(20 80): (80 20);本發(fā)明對(duì)所述有機(jī)溶劑的用量沒(méi)有特殊的限制，能夠?qū)⑸鲜雎然勐纫蚁┖丸F化合物完全溶解即可，在本發(fā)明中，所述有機(jī)溶劑與氯化聚氯乙烯的質(zhì)量比優(yōu)選為(70 97.5): (2.5 30)，更優(yōu)選為(75 95): (5 25)，最優(yōu)選為(80 90): (10 20)。本發(fā)明對(duì)所述溶液紡絲的方法沒(méi)有特殊的限制，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的溶液紡絲的技術(shù)方案即可。本發(fā)明優(yōu)選將得到的氯化聚氯乙烯和鐵化合物的混合溶液置于塑料注射器中，在將所述注射器接到高壓電源上，電源的正極接噴絲頭，電源的負(fù)極接銅片收集器，同時(shí)所述收集器接地，紡絲一段時(shí)間后，將得到的纖維從銅片收集器上剝離，干燥除去殘余溶劑后得到聚氯乙烯纖維-鐵混合物。在本發(fā)明中，所述溶液紡絲的電源電壓優(yōu)選為5KV 40KV，更優(yōu)選為IOKV 35KV，最優(yōu)選為15KV 30KV ;所述噴絲頭與收集器之間的距離優(yōu)選為5厘米 30厘米，更優(yōu)選為10厘米 25厘米，最優(yōu)選為15厘米 20厘米；本發(fā)明對(duì)紡絲的時(shí)間沒(méi)有特殊的限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)混合溶液的量以及需要的復(fù)合材料的質(zhì)量，選擇合理的紡絲時(shí)間。本發(fā)明對(duì)所述干燥的方法沒(méi)有特殊的限制，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的干燥的技術(shù)方案即可，在本發(fā)明中，所述干燥優(yōu)選為真空干燥，所述干燥的溫度優(yōu)選為70°C 90°C，更優(yōu)選為75°C 85°C，最優(yōu)選為80°C ;所述干燥的時(shí)間優(yōu)選為18小時(shí) 30小時(shí)，更優(yōu)選為21小時(shí) 27小時(shí)，最優(yōu)選為24小時(shí)。得到氯化聚氯乙烯纖維-鐵復(fù)合物后，本發(fā)明按照上述技術(shù)方案所述的氯化聚氯乙烯-鐵復(fù)合物得到碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料的技術(shù)方案，制備得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料。在此不再對(duì)氯化聚氯乙烯纖維-鐵復(fù)合物制備碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料的過(guò)程進(jìn)行贅述。本發(fā)明提供了一種碳材料的制備方法，除去上述技術(shù)方案制備得到的碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料或碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料中的四氧化三鐵，即可得到相應(yīng)的碳球或碳纖維。本發(fā)明提供了一種碳球的制備方法，包括以下步驟:將上述技術(shù)方案所述制備方法得到的碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后沉淀分離，得到碳球。本發(fā)明按照上述技術(shù)方案所述的制備碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料的技術(shù)方案，制備得到碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料。將得到的碳球-四氧化三鐵與酸性溶液混合，其中的四氧化三鐵與酸性溶液反應(yīng)，溶解在溶液中，靜置后將沉淀分離，得到碳球。本發(fā)明優(yōu)選將分離得到的固體用去離子水清洗至中性，得到碳球。在本發(fā)明中，所述酸性溶液優(yōu)選為鹽酸、硝酸或硫酸中的一種或幾種，更優(yōu)選為鹽酸；所述酸性溶液的摩爾濃度優(yōu)選為0.5mol/L
2.0mol/L,更優(yōu)選為1.0mol/L 1.5mol/L ;所述靜置的時(shí)間優(yōu)選為24小時(shí) 36小時(shí)，更優(yōu)選為27小時(shí) 33小時(shí)，最優(yōu)選為30小時(shí)。本發(fā)明還提供了一種碳纖維的制備方法，包括以下步驟:將上述技術(shù) 方案所述制備方法得到的碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后沉淀分離，得到碳纖維。本發(fā)明按照上述技術(shù)方案所述制備碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料的技術(shù)方案，制備得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料；然后將得到的碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，其中的四氧化三鐵與酸性溶液反應(yīng)，溶解在溶液中，靜置后將沉淀分離，得到碳纖維。本發(fā)明優(yōu)選將分離得到的固體用去離子水清洗至中性，得到碳纖維。在本發(fā)明中，所述酸性溶液優(yōu)選為鹽酸、硝酸或硫酸中的一種或幾種，更優(yōu)選為鹽酸；所述酸性溶液的摩爾濃度優(yōu)選為0.5mol/L 2.0mol/L,更優(yōu)選為1.0mol/L 1.5mol/L ;所述靜置的時(shí)間優(yōu)選為24小時(shí) 36小時(shí)，更優(yōu)選為27小時(shí) 33小時(shí)，最優(yōu)選為30小時(shí)。本發(fā)明提供了一種碳材料、碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明提供的方法以氯化聚氯乙烯與鐵化合物為原料，將氯化聚氯乙烯與鐵化合物直接混合，得到氯化聚氯乙烯-鐵復(fù)合物；或?qū)⒙然勐纫蚁┡c鐵化合物在有機(jī)溶劑中溶解，然后將得到的混合溶液進(jìn)行溶液紡絲，得到氯化聚氯乙烯纖維-鐵復(fù)合物；然后將得到的氯化聚氯乙烯-鐵復(fù)合物或氯化聚氯乙烯纖維-鐵復(fù)合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，冷卻后得到碳球-鐵復(fù)合材料或碳 維-鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后進(jìn)行沉淀分離，得到碳球或碳纖維。本發(fā)明提供的方法以氯化聚氯乙烯作為合成碳材料或碳-鐵化合物復(fù)合材料的碳源材料，在鐵化合物的快速催化下，在燃燒反應(yīng)過(guò)程中氯化聚氯乙烯進(jìn)行脫氯化氫和交聯(lián)作用，合成碳-四氧化三鐵復(fù)合材料或碳材料。本發(fā)明提供的方法工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)率較高。本發(fā)明實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明提供的方法制備碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料的得率可高達(dá)42.0%，制備碳球的得率可高達(dá)32.8%。為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的碳材料、碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法進(jìn)行詳細(xì)地描述，但不能將它們理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。實(shí)施例1按重量份，將99份、粒徑為75納米的氯化聚氯乙烯與I份、粒徑為10納米的三氧化二鐵同時(shí)加入球磨機(jī)中，在50轉(zhuǎn)/分的速率下下進(jìn)行攪拌混合10分鐘，得到氯化聚氯乙烯-三氧化二鐵混合物；取上述氯化聚氯乙烯-三氧化二鐵混合物I克(包含0.99克氯化聚氯乙烯和0.01克三氧化二鐵)置于15毫升坩堝中，并加蓋于坩堝上；用燃?xì)鉄敉庋婕訜巅釄宓撞浚瑤酌腌姾?，氯化聚氯乙烯開(kāi)始燃燒，此時(shí)坩堝內(nèi)溫度為700°C ;至氯化聚氯乙烯不再燃燒后，取下坩堝，放于陰涼處冷卻至室溫；得到碳-四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明稱(chēng)量得到的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的質(zhì)量為0.32克，計(jì)算得到得率為
32.0% ;本發(fā)明將得到的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料進(jìn)行掃描電鏡掃描分析，結(jié)果表明，本發(fā)明得到的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料為碳球-四氧化三鐵復(fù)合物，平均粒徑為75納米 100納米。本發(fā)明將將摩爾濃度為1.0mol/L的鹽酸水溶液加入到上述技術(shù)方案得到的碳球-四氧化三鐵黑色復(fù)合物中，放置24小時(shí)，沉淀分離，用去離子水清洗至pH值為7。此時(shí)得到純化的碳材料。本發(fā)明稱(chēng)量得到碳材料的質(zhì)量為0.29克，計(jì)算得到得率為29.3% ;本發(fā)明將得到的碳材料進(jìn)行掃描電鏡掃描分析，結(jié)果表明，本發(fā)明得到的碳材料為碳球，平均粒徑為75納米 100納米。實(shí)施例2按重量份計(jì)，將97.5份、粒徑為2微米的氯化聚氯乙烯與2.5份、粒徑為20納米三氧化二鐵同時(shí)加入球磨機(jī)中，在50轉(zhuǎn)/分的速率下下進(jìn)行攪拌混合10分鐘，得到混合物；取上述技術(shù)方案得到的氯化聚氯乙烯-三氧化二鐵混合物I克(包含0.975克氯化聚氯乙烯和0.025克三氧化二鐵)置于15毫升坩堝中，并加蓋于坩堝上；用燃?xì)鉄敉庋婕訜巅釄宓撞?，幾秒鐘后，氯化聚氯乙烯開(kāi)始燃燒，此時(shí)坩堝內(nèi)溫度為700°C ;至氯化聚氯乙烯不再燃燒后，取下坩堝，放于陰涼處冷卻至室溫，得到碳-四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明稱(chēng)量得到的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的質(zhì)量為0.36克，計(jì)算得到得率為36.0% ;本發(fā)明將得到的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料進(jìn)行掃描電鏡掃描分析，結(jié)果表明，本發(fā)明得到的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料為碳球-四氧化三鐵復(fù)合物，平均粒徑為2微米 2.5微米。本發(fā)明將將摩爾濃度為1.0mol/L的鹽酸水溶液加入到上述技術(shù)方案得到的碳球-四氧化三鐵黑色復(fù)合物，放置24小時(shí)，沉淀分離，用去離子水清洗至pH值為7，此時(shí)得到純化的碳材料。本發(fā)明稱(chēng)量得到的碳材料的質(zhì)量為0.32克，計(jì)算得到得率為32.8% ;本發(fā)明將得到的碳材料進(jìn)行掃描電鏡掃描分析，結(jié)果表明，本發(fā)明得到的碳材料為碳球，平均粒徑為2微米 2.5微米。實(shí)施例3按重量份計(jì)，將95份、粒徑為20微米的氯化聚氯乙烯與5份、粒徑為50納米的三氧化二鐵同時(shí)加入球磨機(jī)中 ，在50轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行攪拌混合10分鐘，得到氯化聚氯乙烯-三氧化二鐵混合物；取上述技術(shù)方案得到的氯化聚氯乙烯-三氧化二鐵混合物I克(包含0.95克氯化聚氯乙烯和0.05克三氧化二鐵)置于15毫升坩堝中，并加蓋于坩堝上；用燃?xì)鉄敉庋婕訜巅釄宓撞?，幾秒鐘后，氯化聚氯乙烯開(kāi)始燃燒，此時(shí)坩堝內(nèi)溫度為700°C ;至氯化聚氯乙烯不再燃燒后，取下坩堝，放于陰涼處冷卻至室溫，得到碳-四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明稱(chēng)量得到碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的質(zhì)量為0.41克，計(jì)算得到得率為
41.0% ;本發(fā)明將得到的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料進(jìn)行掃描電鏡掃描分析，結(jié)果表明，本發(fā)明制備的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料為碳球-四氧化三鐵復(fù)合物，平均粒徑為20微米 25微米。本發(fā)明將摩爾濃度為1.0mol/L的鹽酸水溶液加入到上述技術(shù)方案得到的碳球-四氧化三鐵黑色復(fù)合物，放置24小時(shí)，沉淀分離，用去離子水清洗至pH值為7，此時(shí)得到純化的碳材料；本發(fā)明稱(chēng)量得到的碳材料的質(zhì)量為0.34克，計(jì)算得到得率為35.8% ;本發(fā)明將得到的碳材料進(jìn)行掃描電鏡掃描分析，結(jié)果表明，本發(fā)明得到的碳材料為碳球，平均粒徑為20微米 25微米。實(shí)施例4按重量份計(jì)，將90份、粒徑為200微米的氯化聚氯乙烯與10份、粒徑為5微米的氫氧化鐵同時(shí)加入球磨機(jī)中，在50轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行攪拌混合10分鐘，得到氯化聚氯乙烯-氫氧化鐵混合物；取上述技術(shù)方案得到的氯化聚氯乙烯-氫氧化鐵混合物6克(包含5.4克氯化聚氯乙烯和0.6克氫氧化鐵)置于30毫升坩堝中，并加蓋于坩堝上；用燃?xì)鉄敉庋婕訜巅釄宓撞浚瑤酌腌姾?，氯化聚氯乙烯開(kāi)始燃燒，此時(shí)坩堝內(nèi)溫度為500°C ;至氯化聚氯乙烯不再燃燒后，取下坩堝，放于陰涼處冷卻至室溫，得到碳-四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明稱(chēng)量得到碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的質(zhì)量為2.02克，計(jì)算得到得率為
33.7% ;本發(fā)明將得到的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料進(jìn)行掃描電鏡掃描分析，結(jié)果表明，本發(fā)明提供的碳-四氧化三鐵復(fù)合材料為碳球-四氧化三鐵復(fù)合物，平均粒徑為200微米 250微米。將摩爾濃度為1.0mol/L的鹽酸水溶液加入到上述碳-四氧化三鐵黑色復(fù)合材料，放置24小時(shí)，沉淀分離，用去離子水清洗至pH值為7，得到純化的碳材料。本發(fā)明稱(chēng)量得到碳材料的質(zhì)量為1.90克，計(jì)算得到得率為35.2% ;本發(fā)明將得到的碳材料進(jìn)行掃描電鏡掃描分析，結(jié)果表明，本發(fā)明制備的碳材料為碳球，平均粒徑為200微米 250微米。實(shí)施例5按重量份計(jì)，將95份、粒徑為100微米的氯化聚氯乙烯與5份、粒徑為10納米的氫氧化鐵加入到體積比為7:3的四氫呋喃/N，N-二甲基甲酰胺混合溶劑中，攪拌溶解后，將得到的混合溶液注入塑料注射器中，再將注射器連接到5KV的高壓電源，電源正極接噴絲頭，負(fù)極接銅片接收器，同時(shí)接收器接地，固定噴絲頭與接收器之間的距離為5厘米，進(jìn)行溶液紡絲；將紡絲得到的纖維從銅片上剝下，置于80°C真空烘箱中干燥24小去除殘余溶劑，得到氯化聚氯乙烯纖維-氫氧化鐵 混合物，本發(fā)明檢測(cè)得到纖維的直徑約為50納米。取上述技術(shù)方案得到的氯化聚氯乙烯纖維-氫氧化鐵混合物2克(包含1.9克氯化聚氯乙烯和0.1克氫氧化鐵)置于30毫升坩堝中，并加蓋于坩堝上；用燃?xì)鉄敉庋婕訜巅釄宓撞?，幾秒鐘后，氯化聚氯乙烯開(kāi)始燃燒，此時(shí)坩堝內(nèi)溫度為500°C ;至氯化聚氯乙烯不再燃燒后，取下坩堝，放于陰涼處冷卻至室溫，得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合物。本發(fā)明稱(chēng)量得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合物的質(zhì)量為0.80克，計(jì)算得率40.0% ；本發(fā)明檢測(cè)得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合物的直徑為50納米 75納米。本發(fā)明將摩爾濃度為1.0mo/L的鹽酸水溶液加入到上述碳纖維-四氧化三鐵黑色復(fù)合物，放置24小時(shí)，沉淀分離，用去離子水清洗至pH值為7。此時(shí)得到純化的碳纖維。本發(fā)明稱(chēng)量得到碳纖維的質(zhì)量為0.65克，計(jì)算得到得率為34.2% ;本發(fā)明檢測(cè)得到碳纖維的直徑為50納米 75納米。實(shí)施例6按重量份計(jì)，將90份、粒徑為200微米的氯化聚氯乙烯與10份、粒徑為20納米四氧化三鐵加入到體積比為7:3的四氫呋喃和N，N-二甲基甲酰胺的混合溶劑中，攪拌溶解后，將得到的混合溶液注入塑料注射器中，再將注射器連接到40KV的高壓電源，電源正極接噴絲頭，負(fù)極接銅片接收器，同時(shí)接收器接地，固定噴絲頭與接收器之間的距離為30厘米，進(jìn)行溶液紡絲；將紡絲得到的纖維從銅片上剝下，置于80°C真空烘箱中干燥24小去除殘余溶劑，得到氯化聚氯乙烯纖維-氫氧化鐵混合物，本發(fā)明檢測(cè)得到纖維的直徑約為0.2微米。
取上述技術(shù)方案得到的氯化聚氯乙烯纖維-四氧化三鐵混合物6克(包含5.4克氯化聚氯乙烯和0.6克四氧化三鐵)置于30毫升坩堝中，并加蓋于坩堝上；用燃?xì)鉄敉庋婕訜巅釄宓撞?，幾秒鐘后，氯化聚氯乙烯開(kāi)始燃燒，此時(shí)坩堝內(nèi)溫度為700°C ;至氯化聚氯乙烯不再燃燒后，取下坩堝，放于陰涼處冷卻至室溫，得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合物。本發(fā)明稱(chēng)量得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合物的質(zhì)量為2.52克，計(jì)算得到得率為
42.0% ;本發(fā)明檢測(cè)得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合物的直徑為0.2微米 0.3微米。本發(fā)明將摩爾濃度為1.0mol/L的鹽酸水溶液加入到上述碳纖維-四氧化三鐵黑色復(fù)合物，放置24小時(shí)，沉淀分離，用去離子水清洗至pH值為7，得到純化的碳纖維。本發(fā)明稱(chēng)量得到的碳纖維的質(zhì)量為1.80克，計(jì)算得到得率為33.3% ;本發(fā)明檢測(cè)得到碳纖維的直徑為0.2微米 0.3微米。由以上實(shí)施例可知，本發(fā)明提供了一種碳材料、碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明提供的方法以氯化聚氯乙烯與鐵化合物為原料，將氯化聚氯乙烯與鐵化合物直接混合，得到氯化聚氯乙烯-鐵復(fù)合物；或?qū)⒙然勐纫蚁┡c鐵化合物在有機(jī)溶劑中溶解，然后將得到的混合溶液進(jìn)行溶液紡絲，得到氯化聚氯乙烯纖維-鐵復(fù)合物；然后將得到的氯化聚氯乙烯-鐵復(fù)合物或氯化聚氯乙烯纖維-鐵復(fù)合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，冷卻后得到碳球-鐵復(fù)合材料或碳纖維-鐵復(fù)合材料。本發(fā)明為了得到碳材料，將上述制備得到的碳球-鐵復(fù)合材料或碳纖維-鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后進(jìn)行沉淀分離，得到碳球或碳纖維。本發(fā)明提供的方法以氯化聚氯乙烯作為合成碳材料或碳-鐵化合物復(fù)合材料的碳源材料，在鐵化合物的快速催化下，在燃燒反應(yīng)過(guò)程中氯化聚氯乙烯進(jìn)行脫氯化氫和交聯(lián)作用，合成碳-四氧化三鐵復(fù)合材料或碳材料。本發(fā)明提供的方法工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)率較高。本發(fā)明實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明提供的方法制備碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料的得率可高達(dá)42.0%，制備碳球的得率可高達(dá)32.8%。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟: 將氯化聚氯乙烯和鐵化合物混合，得到氯化聚氯乙烯-鐵混合物； 將所述氯化聚氯乙烯-鐵混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，得到碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料。
2.一種碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟: 將氯化聚氯乙烯和鐵化合物在有機(jī)溶劑中混合，將得到的混合溶液進(jìn)行溶液紡絲，得到氯化聚氯乙烯纖維-鐵混合物； 將所述氯化聚氯乙烯纖維-鐵混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，得到碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1 2任意一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述氯化聚氯乙烯與鐵化合物的質(zhì)量比為(85 99.5): (0.5 15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 2任意一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述加熱的溫度為250O 950O。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 2任意一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述鐵化合物為氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氫氧化亞鐵和氫氧化鐵中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)溶劑為四氫呋喃，N，N-二甲基甲酰胺，鄰二氯苯，二甲基亞砜和丙酮中的一種或幾種。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述溶液紡絲的電壓為5KV 40KV； 所述溶液紡絲中噴絲頭與收·集器的距離為5厘米 30厘米。
8.一種碳球的制備方法，包括以下步驟: 將權(quán)利要求1和3 5任意一項(xiàng)所述制備方法得到的碳球-四氧化三鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后沉淀分離，得到碳球。
9.一種碳纖維的制備方法，包括以下步驟: 將權(quán)利要求2 7任意一項(xiàng)所述制備方法得到的碳纖維-四氧化三鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后沉淀分離，得到碳纖維。
10.根據(jù)權(quán)利要求8 9任意一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述酸性溶液的摩爾濃度為 0.5mol/L 2.0mol/L。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種碳材料、碳-四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明提供的方法以氯化聚氯乙烯與鐵化合物為原料，將得到的氯化聚氯乙烯-鐵復(fù)合物或氯化聚氯乙烯纖維-鐵復(fù)合物加熱，至氯化聚氯乙烯燃燒完全，冷卻后得到碳球-鐵復(fù)合材料或碳纖維-鐵復(fù)合材料。本發(fā)明為了得到碳材料，將上述制備得到的碳球-鐵復(fù)合材料或碳纖維-鐵復(fù)合材料與酸性溶液混合，靜置后進(jìn)行沉淀分離，得到碳球或碳纖維。本發(fā)明提供的方法以氯化聚氯乙烯作為合成碳材料或碳-鐵化合物復(fù)合材料的碳源材料，在鐵化合物的快速催化下，在燃燒反應(yīng)過(guò)程中氯化聚氯乙烯進(jìn)行脫氯化氫和交聯(lián)作用，合成碳-四氧化三鐵復(fù)合材料或碳材料。本發(fā)明提供的方法工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)率較高。
文檔編號(hào)B82Y30/00GK103241777SQ20131019282
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月22日
發(fā)明者唐濤, 龔江, 姚坤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所