基于靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑碳-錫基納米纖維材料及其性能研究.pdf

1、本文分別以聚丙烯腈（PAN）作為碳納米纖維前驅(qū)體，五水合四氯化錫(SnCl4·5H2O)作為氧化錫(SnO2)前驅(qū)體，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作為紡絲助劑，采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合碳化處理或高溫煅燒法，制備了平均纖維直徑分別為255.05nm的多孔碳納米纖維膜和364.40nm的多孔氧化錫納米纖維膜以及碳-錫基復(fù)合納米纖維膜。通過(guò)光學(xué)顯微鏡、SEM、TGA、FTIR、Raman、XRD、EDX、接觸角測(cè)量?jī)x和Autolab電化學(xué)工作站儀等表

2、征手段對(duì)纖維膜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征、形貌觀察、浸潤(rùn)性分析和電容性測(cè)試。
　　重均分子量53000的PAN具有良好可紡性的工藝參數(shù)分別為濃度約(12～14)％，黏度范圍約(600～1200) mPa.s，流速約(0.1～1.0) mL/h，電場(chǎng)強(qiáng)度(1.2～1.6) kV/cm，兩噴絲頭間距約15.00cm。探討了預(yù)氧化溫度、加熱速率、加熱介質(zhì)等對(duì)PAN預(yù)氧化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的影響，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后預(yù)氧化工藝參數(shù)確定為預(yù)氧化溫度290℃，升溫速率為3℃

3、/min，預(yù)氧化時(shí)間80min，空氣作為氧化介質(zhì)。通過(guò)FTIR、Raman、XRD表征手段研究了碳化溫度對(duì)碳納米纖維結(jié)構(gòu)的影響，明確了隨著碳化溫度的升高，碳纖維中的類(lèi)石墨層狀結(jié)構(gòu)變得更加致密及有序化，石墨層間距減小，類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)尺寸增加。通過(guò)浸潤(rùn)性測(cè)試發(fā)現(xiàn)PAN纖維膜、預(yù)氧化膜和碳化膜三個(gè)階段的接觸角變化規(guī)律。
　　使用FE-SEM表征了PVP/SnCl4纖維膜煅燒前后的微觀形貌和尺寸，利用XRD研究了焙燒溫度對(duì)晶粒尺寸的影響，利用

4、FTIR、TGA-DTA和Raman等手段研究了纖維膜的分子結(jié)構(gòu)變化、熱穩(wěn)定性和物相結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，固定兩噴絲頭間距15.0 cm、流速0.5 mL/h、電場(chǎng)強(qiáng)度(1.1～1.4) kV/cm和黏度范圍約(1500～3300) mPa.s時(shí)，可以電紡出表面光滑、平均直徑約640.87nm的PVP/SnCl4纖維膜;經(jīng)900℃焙燒后得到了平均纖維直徑約364.40nm、晶粒尺寸約12.27nm的四方相金紅石型晶體結(jié)構(gòu)的粗糙多孔氧化錫納

5、米纖維膜，經(jīng)接觸角測(cè)試發(fā)現(xiàn)這種纖維膜為親水材料。
　　通過(guò)共軛靜電紡絲技術(shù)結(jié)合高溫煅燒法，構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)新穎的“肩并肩”復(fù)合納米纖維。利用FTIR、TGA、FE-SEM和EDX等手段表征了這種復(fù)合纖維膜煅燒前后的表面結(jié)構(gòu)變化和微觀形貌;接觸角測(cè)試表明這種復(fù)合纖維膜煅燒前后表面對(duì)水的浸潤(rùn)性發(fā)生了顯著變化，由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?。利用電化學(xué)工作站研究了碳化溫度和掃描速率對(duì)未活化的碳納米纖維膜和碳-錫基復(fù)合納米纖維膜的電容特性影響，結(jié)果表明，

6、碳化溫度越高，碳纖維結(jié)構(gòu)的石墨化程度越高，導(dǎo)電性更好，電容特性更佳;掃描速率對(duì)電容性的影響主要取決于電解液中陰、陽(yáng)離子的擴(kuò)散速率和纖維膜電極表面的活性面積二者誰(shuí)為控制因素;當(dāng)電流密度為20mA/g時(shí)，900℃碳化的碳納米纖維膜和碳-錫基復(fù)合納米纖維膜的比電容分別為46.1F/g、53.7F/g，ESR值為220Ω、223Ω，可以看出，錫元素復(fù)合協(xié)同改善了碳纖維膜電極電容特性，1100℃碳化后，碳-錫基復(fù)合納米纖維膜電極的比電容為83.3