一种杂原子掺杂柔性碳纤维及其制备方法和应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109913980A(43)申请公布日2019.06.21(21)申请号201910140255.0(22)申请日2019.02.25(71)申请人南开大学地址300071天津市南开区卫津路94号南开大学蒙民伟楼210(72)发明人王鸿江志萍邵越(51)Int.Cl.D01F9/18(2006.01)D04C1/02(2006.01)D06M15/263(2006.01)D06M101/40(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图9页(54)发明名称一种杂原子掺杂柔性碳纤维及其制备方法和应用(57)摘要一种杂原子掺杂的柔性碳纤维及其制备方法和应用，属于新能源碳基材料领域。本发明首先将人类及其他动物毛发清洗干净，然后直接或经过编制之后放入管式炉中，通过真空碳化的方法制得杂原子掺杂碳纤维或其碳纤维编制物。所制备的碳纤维呈管状结构、电导率高、柔性好，可设计的形状，具有可调控的孔径以及物理化学性质，并且易功能化。该类柔性碳纤维制备方法简单，原料价廉易得，易大规模制备。将所制备的碳纤维与共轭聚合物复合后，其可作为超级灵敏，可重复使用的电流传感器来侦测电路，展现出很强的实际应用前景。CN109913980ACN109913980A权利要求书1/1页1.一种可大规模制备的杂原子掺杂碳纤维的制备方法，其特征在于具体步骤如下：(1)将头发或其他动物毛发分别在丙酮、乙醇和去离子水中冲洗三次在60至100摄氏度下烘干备用；(2)将步骤(1)处理过的毛发剪切或编制成所需形貌，置于刚玉方舟中，放入管式炉；(3)将(2)所制备的前驱体在真空条件下300至1200摄氏度碳化1至10小时，自然冷却至室温，得到杂原子掺杂单根碳纤维或编制的碳纤维材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碳化前驱体可为多种毛发，例如人发、兔毛、马尾、猪毛、羊毛、牛毛、鸭绒、鸡毛、鹅毛、猴毛、狗毛、猫毛、熊毛等所有动物毛发。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的毛发前驱体可具有多种编制方法，得到单根结构、发辫、发簇等结构。4.根据权利要求1、2和3所述的制备方法，其特征在于，碳化真空度为0帕至101.325千帕之间。5.根据权利要求1、2和3所述的制备方法，其特征在于，碳化温度范围为300至1200摄氏度，升温速度为3至10摄氏度/分钟，碳化时间1至10小时，得到的碳材料中氮、硫原子含量在5％至20％范围之间。6.根据权利要求1、2和3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所制备的碳纤维及编制碳材料为单根中空碳纤维，碳发辫，碳网格，碳膜等结构。7.根据权利要求1、2和3所述制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的制备方法所制得的杂原子掺杂碳纤维内部中空，内径约为10纳米到100微米之间，外为10纳米到200微米。8.根据权利要求1、2和3所述的方法，其特征在于，所制备的杂原子掺杂碳纤维的电导率在50至2000西门子/厘米之间，而且具有非常高的抗氧化性，可在1300摄氏度下，空气中灼烧60秒保持原始形貌不发生变化。9.根据权利要求1、2和3所述的方法，其特征在于，由人发真空碳化制备的杂原子掺杂碳纤维具有良好的力学性能，抗拉强度可达100至400兆帕。10.一种权利要求1、2、3、4、5所述的真空碳化方法。11.一种权利要求1、2和3制备方法得到的杂原子掺杂管状碳纤维及其他结构碳材料。12.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述杂原子掺杂碳纤维能够负载聚合物进一步功能化。其中负载聚合物的具体做法为：将根据权力1、2和3所述制备方法得到的碳纤维浸入在0.1至100毫摩尔每升的10，12-二十五碳二炔酸四氢呋喃溶液中，在室温下溶剂蒸发，并在通风处暴露2-48小时。然后在室温下，于254纳米波长的紫外光光照0.5至5小时引发聚合一步得到聚二炔酸功能化的复合碳纤维材料。2CN109913980A说明书1/4页一种杂原子掺杂柔性碳纤维及其制备方法和应用技术领域[0001]本发明属于新能源碳基材料技术领域，具体为一类可大规模制备、高电导率、机械性能优异、物理化学性质可调控的柔性可编制碳纤维的制备方法及应用背景技术[0002]随着便携式和可穿戴电子产品的迅速发展，探索和制备多功能柔性材料成为了研究热点。碳材料由于其价廉易得、非常高的电导率以及优异的化学和物理性质，在便携式和可穿戴电子展现出了巨大的应用前景。虽然基于碳纳米管和石墨烯的碳纤维材料在可穿戴电子器件等领域取得了一定的成功，但是，碳纳米管纤维的制备过程复杂，导致其成本非常高，限制了其大规模应用。此外，在制备过程碳纳米管的过程中会不可避免的引入重金属催化剂，导致其在许多实际应用当中(比如半导体器件)存在诸多问题；石墨烯基碳