导电纳米材料在纤维表面的毛细自组装及性能研究

发布时间：2017-08-24 04:20

  本文关键词：导电纳米材料在纤维表面的毛细自组装及性能研究

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【摘要】：碳纳米管、银纳米线和石墨烯等一维和二维导电纳米材料具有导电性高、机械性能好、可规模制备和可溶液加工等特点,成为新型透明导电薄膜、锂离子电池电极和异形柔性电极等的关键基础材料。近年来,由于可穿戴电子器件的迅速发展,以线状电极为代表的柔性电极成为重要的研究方向。碳纳米管等导电纳米材料可通过纺丝、喷涂、粘结等方式制备导电纱线。受限于材料性质和加工方法,目前缺乏一种普适性的方法来大规模制备负载量高、柔性高、导电性高并可调控的导电纱线。在本论文中,我们根据溶液在纤维间的毛细作用原理和蒸发诱导自组装现象,提出了一种毛细诱导自组装技术,将碳纳米管、银纳米线和石墨烯等导电纳米材料包裹在尼龙和棉线等纱线上,制备出新型导电纱线。在此基础上,进一步将导电纳米材料组装在光滑的金属丝上,制成线状电极用于构建全固态超级电容器。具体研究结果如下:1.利用棉、尼龙、涤纶等纱线芯吸效应,即毛细作用,将碳纳米管、银纳米线和氧化石墨烯的溶液吸附在纤维表面,然后通过蒸发诱导自组装过程,使目标导电纳米材料均匀地包覆在纤维上,制成导电纱线。通过控制导电纳米材料种类和组装次数,可对导电纱线的线电阻进行有效调控,电阻值范围覆盖几欧姆到几万欧姆。各类导电纳米材料在制备导电纱线所展示的导电能力按照银纳米线碳纳米管石墨烯的顺序排列。此外,纱线的纤维的紧密度对导电性能影响显著。尼龙纱线中的纤维排列均匀紧密,因而比其他纱线更易获得高导电性能。其中银纳米线修饰的尼龙纱线的导电性最好,其线电阻可低于2Ω/cm(电导率超过150 S/cm)的导电纱线。2.采用原位观测技术,研究银纳米线在光滑金属丝表面的毛细自组装过程。将金属丝缠绕成束形成微尺度线间孔隙,实现了金属丝间的毛细管的构建用于吸附碳纳米管、石墨烯等溶液,继而通过自组装在在光滑金属丝表面包覆碳纳米材料,制成线状电极用于组装线状超级电容器。其中镍丝表面自组装单壁碳纳米管后的电极制备固态的线状超级电容器(Li Cl/PVA作为凝胶电解质)展现出优异的性能,在扫速10 m V/s时的比电容达到34.7 F/g,在0.8 A/g的电流密度下充放电3000次电容值仍保留86%。
【关键词】：导电纱线 线状电极 毛细自组装 碳纳米材料 超级电容器
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TM53
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 专用术语注释表9-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 毛细作用10-13
• 1.1.1 毛细现象的发展10-12
• 1.1.2 多孔介质中的毛细作用12
• 1.1.3 纤维中的毛细作用12-13
• 1.2 毛细作用中的动力学理论13-15
• 1.3 液滴在纤维表面的浸润与毛细作用15-18
• 1.3.1 液滴在单根纤维表面的浸润和毛细作用15-16
• 1.3.2 液滴在平行纤维间的浸润和毛细作用16-17
• 1.3.3 液滴在交叉纤维间的浸润和毛细作用17-18
• 1.4 毛细驱动下的纳米材料自组装18-22
• 1.4.1 纳米材料在透明导电薄膜中的毛细自组装18-19
• 1.4.2 纳米阵列中的毛细自组装19-20
• 1.4.3 纳米材料在纺织品毛细浸润与自组装20-22
• 1.5 课题的提出与研究目的22-24
• 第二章 银纳米线、碳纳米材料在纱线上的自组装及其性能24-33
• 2.1 引言24
• 2.2 实验部分24-26
• 2.2.1 实验材料24
• 2.2.2 DWNT的氧化24-25
• 2.2.3 Ag NWs的合成25
• 2.2.4 Ag NWs导电纱线制备25-26
• 2.2.5 GO的制备与RGO-Nylon纱线的制备26
• 2.2.6 材料的表征26
• 2.3 结果与讨论26-28
• 2.3.1 DWNT的分散性26-27
• 2.3.2 DWNT的Raman和IR分析与表征27-28
• 2.4 Ag NWs在Nylon纱线中的毛细现象28-30
• 2.4.1 Ag NWs导电纱线的制备与表征28-29
• 2.4.2 Ag NWs-Nylon与RGO-Ag NWs-Nylon导电纱线SEM图29-30
• 2.5 Ag NWs导电纱线的性能30-31
• 2.6 DWNT导电纱线的制备与性能31-32
• 2.7 本章小结32-33
• 第三章 导电纳米材料在光滑金属丝表面的毛细自组装和线型超级电容器的研究33-46
• 3.1 引言33
• 3.2 实验部分33-35
• 3.2.1 实验材料33-34
• 3.2.2 GO在金属纤维表面自组装34
• 3.2.3 RGO-Ni电极的制备34
• 3.2.4 PVA/LiCl固态电解质的制备34
• 3.2.5 固态线型超级电容器的制备34
• 3.2.6 Ag NWs自组装视频34-35
• 3.2.7 试验中的仪器35
• 3.2.8 电化学测试35
• 3.3 结果与讨论35-39
• 3.3.1 自组装机理解释35-36
• 3.3.2 自组装样品表面表征36
• 3.3.3 从表面自由能角度解释毛细液桥断裂36-38
• 3.3.4 毛细自组装机理图38
• 3.3.5 在光滑纤维表面自组装AgNWs38-39
• 3.4 在金属丝表面自组装碳纳米材料39-41
• 3.4.1 碳纳米材料在镍金属丝表面自组装SEM图39-40
• 3.4.2 Raman和XPS40-41
• 3.5 电化学性能测试41-45
• 3.5.1 三电极电化学性能测试41-43
• 3.5.2 SWNT-Ni两电极电化学性能测试43-44
• 3.5.3 SWNT-Ni稳定性测试44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第四章 总结与展望46-47
• 参考文献47-53
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文53-54
• 附录2 硕士期间申请的专利54-55
• 致谢55

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