本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
：，具體地說，是涉及一種以基于靜電紡絲纖維的碳纖維為芯材，以漿粕纖維為面材，通過溶解后析出的方式將漿粕纖維均勻的包覆在碳纖維表面而獲得的具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：：近年來，基于氮化物和氟化物等的導(dǎo)電薄膜已經(jīng)成為導(dǎo)電材料領(lǐng)域的研究熱點之一[龐志鵬，孫曉剛，程曉圓，吳小勇，付琦.碳纖維-碳納米管復(fù)合導(dǎo)電紙的制備及電磁屏蔽性能研究，人工晶體學(xué)報，2015，5；xuq，shenw，huangq，yangy，tanr，zhuk.flexibletransparentconductivefilmsonpetsubstrateswithanazo/agnw/azosandwichstructure.journalofmaterialschemistryc，2014,19；鐘林新，張美云，陳均志，劉葉.碳纖維屏蔽紙屏蔽性能的研究，中國造紙學(xué)報，2008，4]，但是長遠(yuǎn)來看，其原材料的稀缺等導(dǎo)致其推廣應(yīng)用存在局限性。而基于環(huán)境友好的纖維素基導(dǎo)電復(fù)合材料在柔性器件、生物傳感器及能量存儲器件等方面開始得到廣泛關(guān)注[呂少一，傅峰，王思群，黃景達(dá)，胡拉.納米纖維素基導(dǎo)電復(fù)合材料研究進(jìn)展，林業(yè)科學(xué)，2015，10；覃杏珍，胡華宇，黃愛民，沈芳，黃祖強(qiáng).纖維素基導(dǎo)電功能材料研究進(jìn)展，大眾科技，2012，158]。纖維素基導(dǎo)電復(fù)合材料的成型方法主要包括兩類：第一類，纖維素基材與導(dǎo)電材料以溶液狀態(tài)混合后成型[kogah，saitot，kitaokat，nogim，suganumak，isogaia.transparent，conductive，andprintablecompositesconsistingoftempo-oxidizednanocelluloseandcarbonnanotube，biomacromolecules，2013，4；hamedimm，hajiana，fallab，hakanssonk，salajkovam，lundellf.highlyconducting，strongnanocompositesbasedonnanocellulose-assistedaqueousdispersionsofsingle-wallcarbonnanotubes，acsnano，2014，3]；第二類，將導(dǎo)電材料直接附著在已成型的纖維素基材表面等[sassoc，zenoe，petit-conilm，chaussyd，belgacemmn，tapin-linguas.highlyconductingpolypyrrole/cellulosenanocompositefilmswithenhancedmechanicalproperties，macromolecularmaterialsandengineering，2010，10；razaqa，nyholml，sjodinm，strommem，mihranyana.paper-basedenergy-storagedevicescomprisingcarbonfiber-reinforcedpolypyrrole-cladophorananocellulosecompositeelectrodes，advancedenergymaterials，2012，4；楊小平，榮浩鳴，陸澤棟.碳纖維導(dǎo)電復(fù)合材料的電學(xué)性能研究，材料工程，2000，4]。目前常用于制備纖維素基導(dǎo)電復(fù)合材料的方法難以實現(xiàn)導(dǎo)電物質(zhì)的均勻分布，所得復(fù)合材料的電導(dǎo)率受制備方法影響顯著，且制備過程中會消耗大量化學(xué)品并產(chǎn)生揮發(fā)性的污染物，不利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料結(jié)構(gòu)均勻性難以保證等不足，提供一種具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料及其制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料，其是以基于靜電紡絲纖維的碳纖維為芯材，然后將上述芯材浸沒在溶于離子液體的漿粕纖維中，最后使?jié){粕纖維析出并成型于碳纖維表面而制得的一種復(fù)合導(dǎo)電材料。所述的具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的制備方法，采取如下步驟：(1)將棉漿粕浸泡于蒸餾水中20min后進(jìn)行疏解，疏解過程轉(zhuǎn)速為10000轉(zhuǎn)/min，疏解時間為5min，疏解后將所得纖維在低溫下烘至含水率低于1％得到烘干纖維；(2)取步驟(1)所得的烘干纖維與離子液體按照質(zhì)量比1:100混合均勻，在120℃的條件下加熱并機(jī)械攪拌反應(yīng)60min制得纖維素溶液；(3)將聚丙烯腈與n，n-二甲基甲酰胺按質(zhì)量比1:8～1:12混合后置于錐形瓶中進(jìn)行水浴加熱，水浴溫度為80℃，水浴過程中上述混合物需機(jī)械攪拌直至完全溶解后獲得紡絲液；(4)將步驟(3)制備獲得的紡絲液裝入注射器中進(jìn)行靜電紡絲，獲得靜電紡絲纖維；(5)將步驟(4)制得的靜電紡絲纖維在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化，然后在氮氣保護(hù)下進(jìn)行高溫碳化，制得碳纖維；(6)將步驟(5)制得的碳纖維浸泡于步驟(2)所得的纖維素溶液中，向上述浸泡有碳纖維的纖維素溶液中加入蒸餾水后進(jìn)行真空抽濾，然后將濾餅取出經(jīng)低溫干燥制得具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料。進(jìn)一步的，所述步驟(1)中，棉漿粕與蒸餾水的質(zhì)量比為1:15，疏解后的纖維烘干溫度為45℃。進(jìn)一步的，所述步驟(2)中，機(jī)械攪拌的轉(zhuǎn)速為40r/min，烘干纖維溶解于離子液體的反應(yīng)方程式如下：其中：[x]+是[emim]+或者[bmim]+或者[bzmim]+。進(jìn)一步的，所述步驟(3)中，聚丙烯腈與n，n-二甲基甲酰胺的混合物的機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速為120r/min。進(jìn)一步的，所述步驟(4)中，靜電紡絲過程的電壓為16kv，接收距離為25cm，注射器控制流速為1.0ml/h～4.0ml/h，陽極與針頭連接，連接陰極的鋁箔為接收器，得到的靜電紡絲纖維的直徑為50nm～80nm，長度為300nm～500nm。進(jìn)一步的，所述步驟(5)中，預(yù)氧化的升溫速率為1.0℃/min，最高溫度為280℃，保溫時間為150min，預(yù)氧化過程發(fā)生的反應(yīng)為：高溫碳化的升溫速率為10℃/min，最高溫度為1200℃，保溫時間為60min，高溫碳化過程發(fā)生的反應(yīng)為：進(jìn)一步的，所述步驟(6)中，每1.0g碳纖維需要纖維素溶液200g～500g，纖維素溶液與蒸餾水的質(zhì)量比為1:1；低溫干燥的溫度為40℃，干燥時間為24h。本發(fā)明的有益效果在于：(1)本發(fā)明提供了一種具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的制備方法；(2)本發(fā)明利用溶于離子液體的漿粕纖維素對碳纖維表面進(jìn)行包覆，使所得復(fù)合導(dǎo)電材料具有突出的生物相容性；(3)本發(fā)明制備過程中不涉及揮發(fā)性有毒物質(zhì)，溶劑可回收再利用，是制備環(huán)境友好型導(dǎo)電材料的有益原料；(4)本發(fā)明制得的具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率為160s/m～170s/m，電流密度可達(dá)1200a/cm2以上；(5)本發(fā)明提供的具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的制備方法易與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。具體實施方式下面結(jié)合實施例詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但保護(hù)范圍并不受此限制。實施例1本實施例的具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的制備方法如下：(1)將3.0g棉漿粕在45ml蒸餾水中浸泡20min后進(jìn)行疏解，將疏解后所得纖維在45℃下烘至含水率低于1.0％，獲得2.7g的烘干纖維；(2)取2.0g烘干纖維與200g的[emim]+[cl]-混合均勻后置于三口燒瓶中，利用電熱套將其加熱至120℃，在40r/min的機(jī)械攪拌條件下反應(yīng)60min，制得完全溶解的纖維素溶液201.8g；(3)取2.0g的聚丙烯腈與16g的n，n-二甲基甲酰胺混合后置于錐形瓶中進(jìn)行80℃水浴加熱，在120r/min條件下攪拌上述混合物直至完全溶解后獲得紡絲液17.9g；(4)取17g紡絲液裝入注射器中進(jìn)行靜電紡絲，注射泵控制流速為1.0ml/h，制得靜電紡絲纖維16.2g；(5)取16g靜電紡絲纖維在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化，然后在氮氣保護(hù)下進(jìn)行高溫碳化，制備獲得碳纖維1.3g；(6)取1.0g的碳纖維浸泡于200g纖維素溶液中，向上述浸泡有碳纖維的纖維素溶液中加入200g蒸餾水后進(jìn)行真空抽濾，然后將濾餅取出經(jīng)40℃低溫干燥24h后獲得2.8g的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料。上述纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率為167.7s/m，電流密度為1230a/cm2。實施例2本實施例的具有穩(wěn)定電導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的制備方法如下：(1)將6.0g棉漿粕在90ml蒸餾水中浸泡20min后進(jìn)行疏解，將疏解后所得纖維在45℃下烘至含水率低于1.0％，獲得5.6g的烘干纖維；(2)取5.0g烘干纖維與500g的[bmim]+[cl]-混合均勻后置于三口燒瓶中，利用電熱套將其加熱至120℃，在40r/min的機(jī)械攪拌條件下反應(yīng)60min，制得完全溶解的纖維素溶液503.7g；(3)取3.0g的聚丙烯腈與27g的n，n-二甲基甲酰胺混合后置于錐形瓶中進(jìn)行80℃水浴加熱，在120r/min條件下攪拌上述混合物直至完全溶解后獲得紡絲液28.7g；(4)取28g紡絲液裝入注射器中進(jìn)行靜電紡絲，注射泵控制流速為2.0ml/h，制得靜電紡絲纖維26.5g；(5)取25g靜電紡絲纖維在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化，然后在氮氣保護(hù)下進(jìn)行高溫碳化，制備獲得碳纖維2.2g；(6)取1.5g的碳纖維浸泡于450g纖維素溶液中，向上述浸泡有碳纖維的纖維素溶液中加入450g蒸餾水后進(jìn)行真空抽濾，然后將濾餅取出經(jīng)40℃低溫干燥24h后獲得5.2g的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料。上述纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率為165.3s/m，電流密度為1218a/cm2。實施例3本實施例的具有穩(wěn)定電阻率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的制備方法如下：(1)將9.0g棉漿粕在135ml蒸餾水中浸泡20min后進(jìn)行疏解，將疏解后所得纖維在45℃下烘至含水率低于1.0％，獲得8.7g的烘干纖維；(2)取8.5g烘干纖維與850g的[bmim]+[cl]-混合均勻后置于三口燒瓶中，利用電熱套將其加熱至120℃，在40r/min的機(jī)械攪拌條件下反應(yīng)60min，制得完全溶解的纖維素溶液856.2g；(3)取4.0g的聚丙烯腈與40g的n，n-二甲基甲酰胺混合后置于錐形瓶中進(jìn)行80℃水浴加熱，在120r/min條件下攪拌上述混合物直至完全溶解后獲得紡絲液43.6g；(4)取42g紡絲液裝入注射器中進(jìn)行靜電紡絲，注射泵控制流速為3.0ml/h，制得靜電紡絲纖維40.7g；(5)取40g靜電紡絲纖維在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化，然后在氮氣保護(hù)下進(jìn)行高溫碳化，制備獲得碳纖維3.1g；(6)取2.0g的碳纖維浸泡于800g纖維素溶液中，向上述浸泡有碳纖維的纖維素溶液中加入800g蒸餾水后進(jìn)行真空抽濾，然后將濾餅取出經(jīng)40℃低溫干燥24h后獲得9.2g的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料。上述纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率為164.6s/m，電流密度為1215a/cm2。實施例4本實施例的具有穩(wěn)定電阻率的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的制備方法如下：(1)將12.0g棉漿粕在180ml蒸餾水中浸泡20min后進(jìn)行疏解，將疏解后所得纖維在45℃下烘至含水率低于1.0％，獲得11.7g的烘干纖維；(2)取11.0g烘干纖維與1100g的[bzmim]+[cl]-混合均勻后置于三口燒瓶中，利用電熱套將其加熱至120℃，在40r/min的機(jī)械攪拌條件下反應(yīng)60min，制得完全溶解的纖維素溶液1108.5g；(3)取5.0g的聚丙烯腈與60g的n，n-二甲基甲酰胺混合后置于錐形瓶中進(jìn)行80℃水浴加熱，在120r/min條件下攪拌上述混合物直至完全溶解后獲得紡絲液64.1g；(4)取60g紡絲液裝入注射器中進(jìn)行靜電紡絲，注射泵控制流速為4.0ml/h，制得靜電紡絲纖維56.3g；(5)取55g靜電紡絲纖維在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化，然后在氮氣保護(hù)下進(jìn)行高溫碳化，制備獲得碳纖維3.7g；(6)取2.0g的碳纖維浸泡于1000g纖維素溶液中，向上述浸泡有碳纖維的纖維素溶液中加入1000g蒸餾水后進(jìn)行真空抽濾，然后將濾餅取出經(jīng)40℃低溫干燥24h后獲得10.8g的纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料。上述纖維素基復(fù)合導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率為162.2s/m，電流密度為1206a/cm2。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12