富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用.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CN114318593A(43)申请公布日2022.04.12(21)申请号202111509696.7B82Y40/00(2011.01)(22)申请日2021.12.10B01J20/20(2006.01)H01M4/96(2006.01)(71)申请人山东大学地址250061山东省济南市历下区经十路17923号(72)发明人张烨朱波乔琨高学平虞军伟闫书涵(74)专利代理机构济南圣达知识产权代理有限公司37221代理人王磊(51)Int.Cl.D01F9/22(2006.01)D01F1/10(2006.01)D01F1/09(2006.01)B82Y30/00(2011.01)权利要求书1页说明书6页附图3页(54)发明名称富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用(57)摘要本发明属于高性能纤维及制备和复合材料领域，涉及富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用，主要是将富勒烯材料作为碳质元素添加剂用于碳纳米纤维的制备，具体地，将丙烯腈与碳质元素添加剂通过水相沉淀聚合形成碳质元素添加剂与聚丙烯腈复合的前体原料，将前体原料依次进行纺丝、热牵伸、预氧化、碳化、石墨化获得富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维；所述碳质元素添加剂为富勒烯材料。本发明能够防止碳质元素添加剂的团聚，减少碳纳米纤维的缺陷，且能够使复合碳纳米纤维具有较高的强度和韧性、质轻、热稳定性优异。CN114318593ACN114318593A权利要求书1/1页1.一种富勒烯材料作为碳质元素添加剂在制备碳纳米纤维中的应用。2.一种富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维的制备方法，将丙烯腈与碳质元素添加剂通过水相沉淀聚合形成碳质元素添加剂与聚丙烯腈复合的前体原料，将前体原料依次进行纺丝、热牵伸、预氧化、碳化、石墨化获得富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维；其特征是，所述碳质元素添加剂为富勒烯材料。3.如权利要求2所述的富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维的制备方法，其特征是，水相沉淀聚合中的引发剂为过硫酸盐与亚硫酸铵的混合物；优选地，水相沉淀聚合的温度为40～80℃。4.如权利要求2所述的富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维的制备方法，其特征是，所述纺丝为静电纺丝；优选地，将前体原料溶于有机溶剂中配成纺丝原液，利用纺丝原液静电纺丝。5.如权利要求2所述的富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维的制备方法，其特征是，热牵伸的温度为100～150℃，牵伸倍数为1.5～4。6.如权利要求2所述的富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维的制备方法，其特征是，预氧化温度为150～300℃，预氧化时间30～120min。7.如权利要求2所述的富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维的制备方法，其特征是，碳化的温度为1000～1600℃，碳化时间为5～20min。8.如权利要求2所述的富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维的制备方法，其特征是，石墨化的温度为2000～3500℃，石墨化时间30～150s。9.一种富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维，其特征是，由权利要求2～8任一所述的制备方法获得。10.一种权利要求9所述的富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维在作为储氢材料、高容量电极材料、高性能复合材料和/或燃料电池电极材料中的应用。2CN114318593A说明书1/6页富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用技术领域[0001]本发明属于高性能纤维及制备和复合材料领域，涉及富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用。背景技术[0002]公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。[0003]碳纤维是一种具有高强高模、低密度、高导热导电性等优异性能的新型无机纤维材料。碳纤维可以由很多前驱体纺制而成，其中聚丙烯腈是生产高性能碳纤维最有前途的前驱体，聚丙烯腈基碳纤维凭借其优异的综合性能占据了当前世界碳纤维总产量的90％以上。[0004]聚丙烯腈基碳纤维可以通过很多工艺制备，自静电纺丝技术成熟以来，凭借该技术制备的碳纳米纤维得到了极大地发展，相比于碳纤维复杂且严格的纺丝过程而言，静电纺丝制备碳纳米纤维的过程显得更加简单，可以方便的调整工艺参数。然而简便的工艺过程也带来很多缺点，如碳纳米纤维取向性差，常伴有粗糙的表面及串珠结构等，因此目前对碳纳米纤维的应用多限于功能材料，如储能设备、催化剂或催化剂载体等。虽然在宏观结构方面碳纤维和碳纳米纤维存在很多差异，但是二者内部结构上有很大的相似性，因此在碳纳米纤维研究中取得的成果可以有效地指导碳纤维的生产。[0005]目前制约碳纳米纤维性能提高的主要原因在于纤维内部缺陷较多，石墨化结构的完整性、取向性较差。可以通过添加改