本發(fā)明專利技術(shù)屬于碳吸附材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料及其制備方法。本發(fā)明專利技術(shù)的聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料以靜電紡聚丙烯腈納米纖維和水溶性聚酰胺酸為原料，其制備過程包括：首先利用靜電紡絲技術(shù)制備聚丙烯腈納米纖維，然后通過一步預(yù)氧化得到預(yù)氧化的聚丙烯腈納米纖維，進(jìn)而借助高速攪拌將靜電紡聚丙烯腈納米纖維和水溶性聚酰胺酸均勻分散，通過冷凍干燥技術(shù)、熱亞胺化和高溫碳化技術(shù)制備復(fù)合碳?xì)饽z。本發(fā)明專利技術(shù)所制得的碳?xì)饽z吸附材料孔徑分布均一、比表面積大、強(qiáng)度高、密度小，是一類性能優(yōu)異的吸附材料，可被廣泛應(yīng)用于污水處理、空氣潔凈等領(lǐng)域。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于碳吸附材料
，具體涉及一種聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料及其制備方法，所述的碳?xì)饽z吸附材料孔徑分布均一、比表面積大、強(qiáng)度高、密度小，是一類性能優(yōu)異的吸附材料，可被廣泛應(yīng)用于污水處理、空氣潔凈等領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
近年來，日益加劇的空氣污染、水污染、土壤污染使人們的環(huán)境保護(hù)意識不斷增強(qiáng)，尤其在PM2.5概念的普及化后，材料研發(fā)者紛紛投入到尋找、制備用于環(huán)境保護(hù)和治理的新材料的行動中。其中，吸附材料具有高比表面積、高孔隙率、結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理、空氣潔凈等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。活性炭是目前主要的市售吸附材料之一，但由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，吸附量相對較低。因此，開發(fā)內(nèi)部更加疏松多孔、孔隙率更大的碳材料是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。碳?xì)饽z是近年發(fā)展起來的一類綜合性能優(yōu)異的碳吸附材料。研究發(fā)現(xiàn)，碳?xì)饽z的性能與其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如何通過對材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計和調(diào)控是進(jìn)一步提升碳?xì)饽z綜合性能的關(guān)鍵。然而，目前大多數(shù)碳?xì)饽z的微觀結(jié)構(gòu)仍比較單一，如：單純由一維碳纖維構(gòu)成的碳纖維氣凝膠、由二維石墨烯組成的石墨烯碳?xì)饽z等。因此，如何將不同維度的納米材料（如一維碳纖維、二維片狀碳）進(jìn)行高效復(fù)合是制備高性能碳?xì)饽z的重要發(fā)展方向之一。因此，本專利技術(shù)以靜電紡聚丙烯腈一維納米纖維和水溶性的聚酰胺酸高分子為前驅(qū)體，通過預(yù)氧化、高速攪拌、冷凍干燥、熱亞胺化、碳化等工藝過程，成功制備了一種由一維碳納米纖維和二維片狀碳所構(gòu)成的碳?xì)饽z材料。該聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料主要具有如下優(yōu)勢：（1）該碳?xì)饽z吸附材料制備過程中所用的主要溶劑為水，因此該工藝對環(huán)境基本不產(chǎn)生污染；（2）該碳?xì)饽z吸附材料由二維片狀碳和一維碳納米纖維所構(gòu)成，且碳納米纖維橫穿于二維片狀碳之間，起到了相互支撐的作用，這不僅大大提高了材料整體的力學(xué)性能，而且這種特殊結(jié)構(gòu)的存在也提升了材料整體的“虹吸效應(yīng)”、使得該碳?xì)饽z的吸附性能較大多數(shù)單一組分碳?xì)饽z材料而言得到了大幅度的提升。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種制備過程環(huán)境友好、性能優(yōu)異的聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料及其制備方法。本專利技術(shù)提出的聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料的制備方法，具體步驟如下：（1）在攪拌下，配制一定濃度的聚丙烯腈（PAN）紡絲液；（2）通過靜電紡絲法，制備PAN納米纖維；（3）在空氣條件下程序升溫，對步驟（2）制備的PAN納米纖維進(jìn)行預(yù)氧化，得到表面具有含氧官能團(tuán)的親水性預(yù)氧化聚丙烯腈（記為o-PAN）納米纖維；（4）將步驟（3）的o-PAN納米纖維分散于去離子水中，高速攪拌后得到均勻分散的分散液；（5）將水溶性聚酰胺酸（PAA）溶解在去離子水中，攪拌后得到聚酰胺酸溶液；（6）將步驟（4）和步驟（5）的溶液混合后，進(jìn)一步高速攪拌得到均勻分散的o-PAN納米纖維和PAA的共混分散液；（7）將步驟（6）所得的分散液在冰箱或液氮中冷凍為固體，隨后在冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，得到聚丙烯腈納米纖維/聚酰胺酸氣凝膠，記為o-PAN/PAA；（8）利用程序升溫過程，將步驟（7）所得的聚丙烯腈納米纖維/聚酰胺酸氣凝膠進(jìn)行熱亞胺化和碳化，得到聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z，記為oP。本專利技術(shù)步驟（1）中，聚丙烯腈紡絲液所用的溶劑為N,N-二甲基甲酰胺，濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為10%~15%。本專利技術(shù)步驟（2）中，所述的靜電紡絲工藝參數(shù)為：電壓為15~20 kV，所用紡絲容器為針孔直徑為0.5 mm的5 mL塑料注射器，流速為0.2~0.3 mm/min，接收距離為10~20 cm。本專利技術(shù)步驟（3）中，所述的程序升溫速率為1~2℃/min，升至平臺溫度230~280℃后保持1.5-2.5 h（優(yōu)選保持2 h）。本專利技術(shù)步驟（4）中，對預(yù)氧化的聚丙烯腈納米纖維的高速攪拌借助型號為IKA T25的勻漿機(jī)實(shí)現(xiàn)，攪拌速度15000~21000 r/min，優(yōu)選攪拌速度為18000 r/min，攪拌時間為20~40 min，優(yōu)選攪拌時間為30 min。本專利技術(shù)步驟（5）中，所述的水溶性聚酰胺酸的制備方法同專利CN104355302A。本專利技術(shù)步驟（5）中，所述的合成聚酰亞胺的二元胺單體包括對苯二胺（PPDA）、4,4′二胺基二苯醚（ODA），二元酐單體包括均苯四甲酸二酐（PMDA）、聯(lián)苯四羧酸二酐（BPDA）、或二苯醚四羧酸二酐（ODPA）。本專利技術(shù)步驟（5）中，所述的合成聚酰亞胺的極性溶劑包括N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺。本專利技術(shù)步驟（6）中，所述的分散液總固含量為2~4%，且PAA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35~100%（優(yōu)選35~95%）。本專利技術(shù)步驟（8）中，所述的熱亞胺化過程為：將得到的聚丙烯腈納米纖維/聚酰胺酸氣凝膠在氮?dú)夥諊谐绦蛏郎兀唧w參數(shù)如下：以1.5-2.5℃/min的升溫速率（優(yōu)選2℃/min的升溫速率）從室溫升至300 ℃，并分別在100 ℃，200 ℃， 300 ℃ 保持0.5 h，0.5 h，1 h后自然降至室溫。本專利技術(shù)步驟（8）中，所述的碳化過程為：將經(jīng)過熱亞胺化后的聚丙烯腈納米纖維/聚酰胺酸氣凝膠在氮?dú)夥諊谐绦蛏郎兀唧w參數(shù)如下：以4-6℃/min的升溫速率（優(yōu)選5℃/min的升溫速率）從室溫升溫至800~1400℃，保持0.5~2h，然后自然降至室溫。附圖1為聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z的制備過程示意圖。本專利技術(shù)制備的聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z材料，孔徑分布均一、比表面積大、強(qiáng)度高、密度小，是一類性能優(yōu)異的吸附材料，可被廣泛應(yīng)用于污水處理、空氣潔凈等領(lǐng)域。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、電子天平來表征本專利技術(shù)所獲得的聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料的結(jié)構(gòu)形貌和吸附性能，其結(jié)果如下：（1）SEM測試結(jié)果表明：本專利技術(shù)中所制備的聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z由一維碳納米纖維和二維片狀碳所構(gòu)成，呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)，并且孔洞之間相互連通、內(nèi)部有碳納米纖維穿插，從而形成特定的三維有序結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑大大提高了碳材料的比表面積，為有機(jī)污染物的吸附提供了更多的貯存空間，對聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z性能的提高起到關(guān)鍵作用，參見附圖2；（2）TEM測試結(jié)果表明：本專利技術(shù)中所制備的聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以從TEM中得到更充分的體現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)一維碳納米纖維從二維片狀碳內(nèi)部穿插而過，得到了高度雜化的聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z，參見附圖3；（3）吸附測試結(jié)果表明，所制備的聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z對常見有機(jī)溶劑和油性物質(zhì)均有較好的吸附作用。研究結(jié)果表明，聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z對不同物質(zhì)的吸附量達(dá)到了自身重量的20-62倍，其中對泵油展現(xiàn)出最優(yōu)異的吸附性能（達(dá)到自身重量的62倍），參見附圖4。這主要可歸功于碳?xì)饽z內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)和納米碳纖維的“虹吸效應(yīng)”。此外，對聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z的循環(huán)性能進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其對乙醇和丙酮均展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。在5次循環(huán)吸附后，其吸附量均保持在起始吸附量的90%以上；（4）吸附速本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下：（1）在攪拌下，配制聚丙烯腈（PAN）紡絲液；（2）通過靜電紡絲法，制備PAN納米纖維；（3）在空氣條件下通過程序升溫，對步驟（2）制備的PAN納米纖維進(jìn)行預(yù)氧化，得到表面具有含氧官能團(tuán)的親水性預(yù)氧化聚丙烯腈（記為o?PAN）納米纖維；（4）將步驟（3）的o?PAN納米纖維分散于去離子水中，高速攪拌后得到均勻分散的分散液；（5）將水溶性聚酰胺酸（PAA）溶解在去離子水中，攪拌后得到聚酰胺酸溶液；（6）將步驟（4）和步驟（5）的溶液混合，然后進(jìn)一步高速攪拌得到均勻分散的o?PAN納米纖維和PAA的共混分散液；（7）將步驟（6）所得的共混分散液在冰箱或液氮中冷凍為固體，隨后在冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，得到聚丙烯腈納米纖維/聚酰胺酸氣凝膠，記為o?PAN/PAA；（8）利用程序升溫過程，將步驟（7）所得的聚丙烯腈納米纖維/聚酰胺酸氣凝膠進(jìn)行熱亞胺化和碳化，得到聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z，記為oP。
【技術(shù)特征摘要】
1. 一種聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下：（1）在攪拌下，配制聚丙烯腈（PAN）紡絲液；（2）通過靜電紡絲法，制備PAN納米纖維；（3）在空氣條件下通過程序升溫，對步驟（2）制備的PAN納米纖維進(jìn)行預(yù)氧化，得到表面具有含氧官能團(tuán)的親水性預(yù)氧化聚丙烯腈（記為o-PAN）納米纖維；（4）將步驟（3）的o-PAN納米纖維分散于去離子水中，高速攪拌后得到均勻分散的分散液；（5）將水溶性聚酰胺酸（PAA）溶解在去離子水中，攪拌后得到聚酰胺酸溶液；（6）將步驟（4）和步驟（5）的溶液混合，然后進(jìn)一步高速攪拌得到均勻分散的o-PAN納米纖維和PAA的共混分散液；（7）將步驟（6）所得的共混分散液在冰箱或液氮中冷凍為固體，隨后在冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，得到聚丙烯腈納米纖維/聚酰胺酸氣凝膠，記為o-PAN/PAA；（8）利用程序升溫過程，將步驟（7）所得的聚丙烯腈納米纖維/聚酰胺酸氣凝膠進(jìn)行熱亞胺化和碳化，得到聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z，記為oP。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料的制備方法，其特征在于步驟（1）所述的聚丙烯腈紡絲液所用的溶劑為N,N-二甲基甲酰胺，聚丙烯腈紡絲液的質(zhì)量濃度為10%~15%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述聚丙烯腈納米纖維/聚酰亞胺基碳?xì)饽z吸附材料的制備方法，其特征在于步驟（2）中，靜電紡絲工藝參數(shù)為：電壓為15~20 kV，所用紡絲容器為針孔直徑為0.5 mm的5 mL塑料注射器，流速為0.2~...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉天西，賴飛立，繆月娥，左立增，
申請(專利權(quán))人：復(fù)旦大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31
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