納米碳纖維的制備及其性能研究.pdf

1、納米碳纖維(CNFs)作為一種新型納米碳材料，具有優(yōu)異的物理、力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在儲氫、催化劑和催化劑載體、雙電層電容器電極、復(fù)合材料等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用前景。目前，CNFs的主要制備方法有化學(xué)氣相沉積法和靜電紡有機(jī)前驅(qū)體法，后者能直接、連續(xù)制備聚合物納米纖維但產(chǎn)率很低，無法滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。溶液噴射紡絲(Solution Blowing，簡稱SB)技術(shù)作為一種新型微納米纖維制備技術(shù)，具有工藝簡單、能耗低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，有望

2、發(fā)展成為規(guī)模化制備納米纖維的新技術(shù)。
　　 本文以聚丙烯腈(PAN)為原料，利用SB制備了PAN納米纖維，通過多級熱牽伸、預(yù)氧化、碳化獲得了納米碳纖維，利用FESEM、DSC、TG-DTA、FTIR、XRD等測試手段研究了紡絲工藝、熱處理工藝等對PAN納米纖維、預(yù)氧化纖維及納米碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能的影響;利用循環(huán)伏安(CV)、交流阻抗(EIS)和恒流充放電(CD)等測試研究了SB制備的CNFs的電化學(xué)性能，探討了其作為超級電容器電

3、極的電極材料的可行性。主要研究結(jié)論如下:
　　 基于SB技術(shù)制備了平均直徑為220 nm的PAN納米纖維，研究發(fā)現(xiàn)，纖維的形貌受紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紡絲參數(shù)(包括牽伸風(fēng)壓、擠出速率、接收距離、箱體溫度、針孔直徑)等影響。優(yōu)化的紡絲條件為:PAN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12％、牽伸風(fēng)壓為0.1 MPa、擠出速率為11 ml/h、紡絲箱體溫度為40℃、接收距離為80 cm、噴絲頭內(nèi)徑為0.5 mm。
　　 納米纖維經(jīng)多級牽伸后其取向性變好，

4、纖維的直徑分布集中。纖維經(jīng)牽伸預(yù)氧化后其取向性進(jìn)一步提高，纖維的直徑也減小;經(jīng)過一系列測試表明，預(yù)氧化溫度為260℃、升溫速度為5℃/min時預(yù)氧化程度較完全。碳化后纖維直徑減小，經(jīng)800℃碳化后得到平均直徑為170 nm的CNFs。
　　 利用電化學(xué)工作站對CNFs的電化學(xué)性能測試，CV曲線呈類矩形形狀且曲線對稱性好，表明電極具有良好的可逆性;CD曲線為對稱性較好的類似等腰三角形形狀，說明該電極材料充放電可逆性好。研究結(jié)果表明