炭氣凝膠及其復(fù)合材料的常壓干燥制備及性能研究.pdf

1、炭氣凝膠是一種輕質(zhì)、多孔、非晶態(tài)的納米炭材料，以其獨特的結(jié)構(gòu)和諸多優(yōu)異的特性，在隔熱保溫、儲能、催化、吸附等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。然而由于目前存在制備成本高等問題，氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程受到了嚴(yán)重的制約。濕凝膠的干燥是炭氣凝膠制備過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，目前主要采用超臨界干燥方式。這種方式雖然可以制得性能優(yōu)異的氣凝膠，但存在著高成本、高危險性以及重復(fù)性較差等缺點，難以實現(xiàn)氣凝膠的大規(guī)模制備。因此，采用低成本、易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的常壓干燥替

2、代傳統(tǒng)的超臨界干燥，同時，通過優(yōu)化制備條件等途徑，以改善常壓干燥過程中孔結(jié)構(gòu)的塌陷和收縮，得到性能良好的炭氣凝膠，對推動氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要的研究意義。
　　本論文首先通過溶膠凝膠法和常壓干燥制備了RF有機和炭氣凝膠，研究了不同制備參數(shù)（溶液初始pH、前驅(qū)物濃度、置換溶劑、凝膠化溫度）對RF氣凝膠微觀形貌、結(jié)構(gòu)和物性的影響。通過優(yōu)化制備條件，得到了適宜常壓干燥氣凝膠的制備參數(shù)。結(jié)果表明，溶液初始pH范圍為6.0-6.4時，前

3、驅(qū)物濃度為25％-40％時可以得到密度較低，并且具有良好孔結(jié)構(gòu)的有機和炭氣凝膠，其中當(dāng)pH值為6.0和前驅(qū)物濃度為30％時，RF氣凝膠的密度可低至0.3g cm-3，并且其孔徑在100nm以內(nèi)。對RF濕凝膠進(jìn)行有機溶劑的置換可顯著降低凝膠的塌陷和收縮，從而可以極大地降低氣凝膠的密度。通過研究不同有機溶劑對RF氣凝膠微觀形貌和物性的影響，并結(jié)合制備周期，生產(chǎn)成本綜合考慮，乙醇可作為RF氣凝膠適宜的置換溶劑。
　　借鑒于SiO2氣凝膠

4、等氧化物氣凝膠的常壓干燥改性方法，采用多種干燥控制添加劑（甲酰胺、乙二醇和丙三醇）對RF有機溶膠進(jìn)行改性研究，發(fā)現(xiàn)只有甲酰胺的加入可以顯著改善氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)性能，同時可以降低氣凝膠的密度(～0.2gcm-3)和收縮率。根據(jù)測試結(jié)果，我們對甲酰胺抑制收縮的作用機理進(jìn)行了推測，它主要通過氫鍵作用和屏蔽RF離子的反應(yīng)基團(tuán)，降低了RF核的交聯(lián)密度和支化程度，有利于RF顆粒的長大來實現(xiàn)對RF氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)改善。此外，基于對氣凝膠孔結(jié)構(gòu)的改善，將改

5、性后炭氣凝膠作為雙電層電容器的電極材料，結(jié)果表明甲酰胺的加入可顯著提高它的比容量，當(dāng)甲酰胺與間苯二酚的摩爾比為0.5時，炭氣凝膠的比容量從未改性時的60F g-1可增加到96F g-1，具有60％容量的提升。并且它在0.1-1A g-1電流密度下的容量保持率高達(dá)93％，具有優(yōu)異的倍率性能。
　　由于純炭氣凝膠具有較大的脆性，因而難以制得大尺寸、不開裂的氣凝膠制件。以炭纖維氈（PAN基和活性粘膠基）作為增強體，與RF溶膠進(jìn)行復(fù)合，從

6、而制得具有較大尺寸的RF炭氣凝膠。通過優(yōu)化復(fù)合用RF氣凝膠的制備參數(shù)，選擇了前驅(qū)物濃度為40％，初始溶液pH值為6.2的RF制備參數(shù)。所制得炭纖維復(fù)合氣凝膠具有較低的密度(～0.4g cm-3)和較小的孔徑(～50nm)。從復(fù)合樣微觀形貌中可以看出炭纖維很好地包覆在RF基質(zhì)中，未發(fā)現(xiàn)明顯的纖維脫落。以活性粘膠基炭纖維氈復(fù)合的樣品具有優(yōu)異的隔熱性能，有機樣和炭化樣的室溫?zé)釋?dǎo)率分別為0.039W m-1 k-1和0.048W m-1 k-1

7、。此外，炭纖維復(fù)合炭氣凝膠作為雙電層電容器的電極材料具有較高的比容量(＞80F g-1)和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　為增強凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和有效抑制RF氣凝膠納米孔在常壓干燥過程中的塌陷和收縮，首先研究了同為納米尺寸的氧化石墨烯抑制RF有機氣凝膠收縮的作用，同時對它的作用機理進(jìn)行了探討。結(jié)果表明GO的添加可顯著降低氣凝膠的收縮和密度，這主要是利用它在RF基質(zhì)中優(yōu)異的分散性和相容性，顯著增強RF骨架結(jié)構(gòu)，從而起到改善孔結(jié)構(gòu)和降低密度的作用

8、。隨后將GO作為抑制干燥收縮劑，通過優(yōu)化制備參數(shù)和炭化處理，得到了低密度(0.182g cm-3)、高比表面積(533m2 g-1)、并且具有較小孔徑(＜100nm)的石墨烯復(fù)合炭氣凝膠。該樣品具有極其出色的隔熱性能，其室溫?zé)釋?dǎo)率僅為0.028Wm-1 k-1。此外，GNS/RF復(fù)合炭氣凝膠作為雙電層電容器電極材料，在0.1-1 A g-1電流密度下的容量保持率在96.5％以上，具有極其出色的倍率性能。將片狀結(jié)構(gòu)的GNS/RF復(fù)合炭氣凝