基于聚丙烯腈的碳纳米纤维复合材料的制备与应用

发布时间：2020-08-28 20:54

　　静电纺丝是一种简单、灵活、可制备直径从几十纳米到几微米连续纤维的技术,利用静电纺丝技术制备的碳纳米纤维具有比表面积大、高导电性和极高的长径比等优点。因此,碳纳米纤维及其复合材料的制备具有重要理论研究和实际应用的价值。本文主要讨论以静电纺丝法制备碳纳米纤维复合材料在超双疏、电磁屏蔽和超级电容器领域中的应用,具体的工作主要包括以下三个部分:(1)通过静电纺丝技术制备不同比例锰掺杂的聚丙烯腈纳米纤维,将得到的聚丙烯腈复合纳米纤维进行预氧化和碳化处理得到锰掺杂的碳纳米纤维。然后把得到的柔性碳纤维进行氟化处理即可得到具有超双疏特性的碳纤维膜,研究不同浓度的含氟溶液及不同氟化时间对碳纤维膜超双疏性能的影响。使用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱对纺丝纤维以及碳纤维进行表征,研究表明:乙酰丙酮锰转化为二氧化锰纳米粒子,不仅增加纤维表面的粗糙度,同时赋予碳纳米纤维复合膜的柔韧性。锰掺杂的碳纤维Mapping分析表明:Mn元素均匀的分布在纤维表面及内部。接触角测试表明:制备的锰掺杂聚丙烯腈基的碳纳米纤维经过含氟溶液的修饰后具有超双疏的性能,在不同pH下接触角约为155°,对不同油的接触角约为152°。(2)通过静电纺丝技术制备不同比例镍掺杂的聚丙烯腈纳米纤维,并对不同比例镍掺杂的聚丙烯腈纳米纤维进行预氧化和碳化处理,将得到的柔性碳纤维应用于电磁屏蔽。使用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱对纺丝纤维以及碳纤维进行表征,结果表明:乙酰丙酮镍的加入不仅增加碳纤维表面的纳米颗粒,而且会提高碳纤维的柔韧性。此外,镍掺杂的碳纤维Mapping分析表明:Ni元素以颗粒的形式存在于纤维的表面及内部。X射线衍射谱图表明:碳纤维表面的镍元素主要以单质的形式存在。电磁屏蔽结果表明:镍掺杂的碳纤维具有良好的电磁屏蔽性能,屏蔽效能可达到近30 dB,在经过一定时间的氟化处理后,所得到的镍掺杂的碳纤维在具有超双疏性能的同时,其屏蔽效能依旧可以保持在25 dB左右。(3)依旧采用静电纺丝技术制备了不同比例镍掺杂的聚丙烯腈纳米纤维,并将纺丝得到的聚丙烯腈复合纳米纤维进行预氧化和碳化处理获得镍掺杂碳纳米纤维,然后将碳纤维作为电极材料并探究其在超级电容器中的应用。X射线光电子能谱分析表明,碳纤维薄膜中主要含有碳、氮、氧和镍元素,且纤维中镍元素也以NiO形式存在。电化学测试结果明:杂原子掺杂的碳纤维,由于其特殊的表面性质,在3MKOH电解液中,1Ag~(-1)的电流密度下,其比电容可达到202.7 F g~(-1)。
【学位单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

静电纺丝,工艺参数,喷射装置

易行等优点，己经成为制备高比表面积、尺寸均匀纳米纤维的主要途径之一。逡逑１．２．２静电纺丝技术的装置与原理逡逑静电纺丝的设备装置如图１．１所示，主要分为提供高压静电力的高压电源、带有金属逡逑针头的喷射装置和接地的接收板。静电纺丝的过程主要涉及到诸多方面［８］，如运动学、动逡逑力学和传热学。高压电源的两极分别连着喷射装置和接收装置，为纺丝过程提供高压。一逡逑般来说，实验室采用交流高压电源，交流高压电源由于可以交替的使射流带电荷，从而使逡逑溶液主体呈现电中性，因此可以顺利的沉积在接受板上。影响静电纺丝的重要因素之一是逡逑喷射装置，也就是实验过程中最常用的针头，而在装置的改进方面一般是改变喷头的种类。逡逑

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５逡逑公式中０代表固体表面的静态接触角，：分别代表固气、固液和液气界面的逡逑表面张力，如图１．２所示。由杨氏方程可知，控制固体表面的化学姐成即表面修饰方法可逡逑以降低表面自由能达到提高表面接触角的目的。把０＜９0的表面称为亲液表面，０＞９0的逡逑表面称为疏液表面，当０＞１５0时，固体表面表现出超疏液的性质。逡逑＼逡逑＼逡逑７ｓ逡逑＾逦＾邋ｍｕｍ邋ｍｔｍ邋ｍｍ逦ａｓｍ＊邋￥ａｅｍ邋ｍｍ？逡逑ｙＳＬ逡逑图１．２接触角示意图逡逑（２）逦Ｗｅｎｚｅｌ邋模型逡逑杨氏方程适用于理想状态下的平滑平面，但实际的表面都有一定的粗糙度，因此需要逡逑考虑粗糙度对浸润性的影响，如图１．３所示。１９３６年，Ｗｅｎｚｅｌ［４１ｌ意识到粗糙度对润湿性的逡逑影响，他将杨氏方程改为：逡逑ｃｏｓ０ｉｖ＝ｒ邋ｃｏｓｄ逦（１－２）逡逑式中／？为粗糙度因子，是粗糙表面的表观接触角。由公式可知，ｅ＜９0时，随着逡逑表面粗糙度增大而降低，表面更亲液；ｅ＞９0时，０Ｈ／随着表面粗糙度增大而增加，表面更逡逑疏液。逡逑图１．３邋Ｗ

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