聚丙烯腈基中空多孔碳纤维的研究进展

聚丙烯腈基(PAN)中空多孔纤维微孔结构丰富,质轻,比表面积大,是碳材料领域的新起之秀。从PAN基中空多孔碳纤维的发展史、制备方法、应用等方面,简要阐述了它的研究现状,并对今后发展提出了几点展望,以期为中空多孔碳纤维的研究工作提供一定的帮助。     

分级多孔聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯纳米碳纤维的制备及结构研究

以聚丙烯腈(PAN)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为原料,采用静电纺丝技术,并结合预氧化和高温碳化处理,制备了分级多孔碳纤维。利用比表面积测试法、场发射扫描电镜、X射线光电子能谱分析仪和拉曼光谱仪等表征方法对材料的结构进行了表征,研究了掺杂比和热处理对多孔碳纤维的比表面积和石墨化程度的影响。结果表明:PAN∶PMMA=2∶1(质量比)时,碳纤维表面存在大量的介孔和微孔,表面积达到908.982m2/g。     

不同碳源多孔碳纤维制备及其吸附性能

先用静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)基高分子纤维,然后将其碳化制备出不同碳源的多孔碳纤维材料。使用X-射线衍射仪、红外光谱仪、差示扫描量热仪和N₂吸脱附分析仪等手段表征了碳纤维材料的结构和性能。结果表明,PAN基碳纤维的比表面积最大(113.5 m²/g)、微孔较多,对刚果红的吸附量最大(560.2 g/kg)。根据吸附动力学模型和吸附等温线的分析结果,碳纤维对刚果红的吸附属单层吸附。结果还表明,温度越高材料的吸附速率越高但是吸附量没有明显的变化;在酸性条件下PVA基碳纤维保持较高的吸附活性,而PAN基碳纤维则与之相反;刚果红水溶液的pH值对PVP基碳纤维吸附活性的影响很小。     

阳极氧化对PAN基高模碳纤维表面的影响

采用阳极氧化法对PAN基高模碳纤维进行在线表面处理,重点研究了氧化电流密度对炭纤维表面形貌、比表面积、表面官能团的影响.结果表明,电流密度时纤维形貌、比表面积影响不大;氧化后纤维表面官能团显著提高.根据实验结果,提出了PAN基高模炭纤维的氧化模型.     

金属掺杂对碳纳米纤维结构及导电性能的研究

以DMF为溶剂,利用静电纺丝法制备了PAN/Ni(OAc)_2、PAN/Co(OAc)_2和PAN/Cu(OAc)_2复合纳米纤维,在250℃对复合纳米纤维进行预氧化处理,然后在800℃下进行碳化处理得到碳基复合纳米纤维。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)和比表面与孔径分析仪(ASAP 2020)等对复合纳米纤维表面形貌和结构进行了表征,用四探针测试仪测试碳基复合纳米纤维的电导率。研究结果表明:高温处理后C/Co、C/Ni和C/Cu复合纳米纤维的直径比前驱体复合纳米纤维有所下降,部分纤维发生断裂,金属Co、Ni和Cu较均匀地分散在碳纤维内部。碳基复合纤维的比表面积和孔体积大大增加,分别为597m~2·g~(-1)和0.297cm~3·g~(-1),C/Cu复合纳米纤维的导电率最高可达8.75S/m。     

CO_2直接活化法制备PAN基活性炭纤维及其对苯系气体吸附性能的研究

以聚丙烯腈(PAN)预氧丝为原料,采用CO_2直接活化法,制备了PAN基活性炭纤维,并通过液压成型方式将PAN基活性炭纤维制成滤材。通过氮吸附、SEM和XPS对制得的PAN基活性炭纤维进行表征。利用自搭建的吸附性能测试系统,将PAN基滤材和以相同成型方法制成的粘胶基滤材进行苯、甲苯的吸附测试。结果表明,自制的PAN基活性炭纤维比表面积为860m2/g,总孔容积为0.361m3/g,最可几孔径为0.62nm,官能团为羟基、醚基、羧基、酯基和类吡啶基团。PAN基滤材单位表面积对苯和甲苯的饱和吸附量均大于粘胶基滤材,其吸附活性位比粘胶基滤材多,更适合用来吸附苯系污染物。     

聚合物共混制备纳米和多孔碳纤维及性能研究

聚丙烯腈(PAN)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混膜的结构和尺寸可由两组分比例和分子量调整。以PAN为碳前驱体,PMMA为热分解聚合物,并控制m(PAN)/m(PMMA)为30/70和70/30,通过湿法纺丝制备了PAN/PMMA共混纤维。以m(PAN)/m(PMMA)为30/70和70/30的共混纤维为原丝经碳化后获得了纳米碳纤维(CNFs)和多孔碳纤维(PCFs)。利用扫描电镜观察了所得CNFs和PCFs的形貌,发现单根CNFs的直径为50～150nm,PCFs中孔的直径为0.1～1μm。由CNFs和PCFs的拉曼光谱分析了不同碳化温度对CNFs和PCFs石墨化程度的影响,结果表明随碳化温度升高,石墨化程度也增加,同时电导率也随之提高。     

短切中空多孔碳纤维复合材料的吸波性能

以中空多孔聚丙烯腈(PAN)原丝为原料, 通过预氧化处理和碳化处理工艺制备了中空多孔碳纤维, 采用SEM和XRD对其微观结构和晶体结构进行了表征, 并对其吸波性能进行了分析. 研究结果表明, 中空多孔碳纤维是一种非石墨结构的电损耗型雷达波吸收剂; 随着短切中空多孔碳纤维体积分数的提高, 随机分布的纤维/石蜡复合吸波材料的介电常数随之增大; 用所得的电磁参数结果计算了不同厚度材料的反射率, 在2～18GHz频率范围内, 当体积分数为33.30%, 厚度为2mm时, 最低反射率为-21.36dB, 其中<-5dB的反射率带宽为5.17GHz, <-10dB的反射率带宽为2.88GHz.     

纳米碳纤维的制备及其表面结构分析

用电场纺丝方法制得了PAN原丝,经碳化制备纳米碳纤维;并用因子设计方法研究PAN原丝平均直径的影响因素;用扫描电镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)研究了纳米碳纤维的表面形貌及结构.结果表明溶液的浓度是PAN原丝平均直径的主要影响因子,电压对原丝的平均直径没有明显的影响;用电场纺丝方法可以制得直径在80～500nm之间的纳米碳纤维;电场纺丝制得的纳米碳纤维表面有长度约为10nm左右,宽度约为5nm沿纤维方向取向的凹坑,该结构有利于进一步增加纤维的比表面积和吸附性能,该类纤维在复合材料领域有潜在的应用前景.     

多孔碳纳米管纸负载中空硅微球作为阳极的高容量锂硅电池

为提高硅基锂离子电池的电化学性能,制备了一种多微孔结构的集流体。以纸纤维为基体,多壁碳纳米管（MWCNTs）为导电剂,制得MWCNTs/纸纤维复合多孔导电纸代替铜箔作为负极集流体。MWCNTs负载中空Si微球复合材料作为负极活性材料。FESEM分析显示,中空Si-MWCNTs复合活性物质均匀分布在MWCNTs构建的三维导电网络的孔隙中,从而保证了材料的结构稳定性和化学稳定性。所制备的中空Si-MWCNTs/纸纤维复合锂离子电池具有良好的循环稳定性和较高的比容量,同时具有可逆性。在0.02 C的电流密度下,循环30次后其比容量稳定在1 300 mAh/g。在3 C的大电流密度下,比容量仍可稳定保持在330 mAh/g。恢复0.25 C充放电后,容量恢复为1 150 mAh/g。     

低温活化制备纤维状活性炭复合材料

以玻璃纤维毡为基质，在玻璃纤维上涂布聚乙烯醇和氯化锌的混合物，得到多孔碳纤维前驱体。通过控制活化条件、改变活化剂浓度以及原料的配比，制备了一系列复合型纤维状多孔炭材料（GFAC），结果显示，活化温度、活化时间和ZnCl2的浓度强烈影响GFAC的比表面积、孔径分布和在玻璃毡上的碳层含量。在450℃的低温下制得的复合材料的比表面积达650m^2／g，中孔体积达65％．空气与ZnCl2共同活化，比在N2气氛中活化更能提高碳层的比表面积，可制得微孔比表面积达75％，比表面积达到400m^2／g的GFAC。GFAC样品具有较好的机械强度，其动态吸附速率接近ACF。     

碳纳米管改性聚丙烯腈纳米纤维膜制备工艺及性能

聚丙烯腈(PAN)纳米纤维纸具有高孔隙率、三维连通等特点，其炭化后形成的碳纤维纸可应用于燃料电池质子交换膜中。提升PAN纳米纤维性能，有利于获得高质量碳纤维纸。文中采用碳纳米管(CNT)增强改性聚丙烯腈，通过静电纺丝制备CNT/PAN纳米纤维膜，研究了CNT的加入对纤维膜微观结构、热稳定性、导电性的影响。对纤维膜的扫描电镜照片、热稳定性等进行分析，结果表明CNT质量分数为2%时，纤维膜的孔隙率为86%、比表面积为21.1 m²/g；相较未加CNT的纤维膜的电阻下降40%，最大热分解温度提升了6℃。为后期制备电池用高性能碳纤维纸前驱体提供了支撑。     

PTFE/PAN共混中空纤维膜的制备与性能

以聚丙烯腈(PAN)为成膜载体,由聚四氟乙烯(PTFE)分散乳液通过干-湿法纺丝制得PTFE/PAN共混中空纤维膜。利用红外光谱(FT-IR)研究了烧结前后中空纤维膜的化学变化,热失重(TGA)分析了中空纤维膜的热稳定性,并采用场发射扫描电镜(FESEM)观察了不同烧结温度的中空纤维膜形貌。结果表明:在预氧化烧结过程中PAN发生了环化反应,生成耐热的梯形结构,提高了中空纤维膜的耐热性;随着烧结温度的升高,生成的点纤结构尺寸明显增加,中空纤维膜的力学强度显著提高。     

静电纺丝法ZrO_2/PVDF-PAN超级电容器隔膜的制备及其电化学性能

采用静电纺丝法,以聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯腈(PAN)为基体,通过改变ZrO_2的含量,制备了ZrO_2/PVDF-PAN复合纤维膜。用SEM和比表面积测试仪(BET)分别对复合纤维膜的形貌和比表面积进行了表征。结果表明:纳米ZrO_2的加入量对ZrO_2/PVDF-PAN复合纤维膜的形貌有较大影响,随着纳米ZrO_2含量的增加,纤维表面变得凹凸不平,提高了纤维膜的比表面积,进而提高了纤维膜的吸液率,且当ZrO_2含量为PVDF和PAN总质量的0.4%时达到最大值。将复合纤维膜组装成超级电容器,利用电化学工作站对其循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)性能进行测试,研究了ZrO_2的加入对复合纤维膜电化学性能的影响。结果表明:ZrO_2的加入提高了ZrO_2/PVDF-PAN复合纤维膜的电导率,当ZrO_2含量为0.4%时其电化学综合性能最好,其中比容量达126.0F/g,离子电导率为9.31×10~(-3) S/cm。     

氮掺杂空心碳纤维用作高性能钾离子电池自支撑负极材料

本文报道了一种具有多级结构(氮掺杂团簇复合中空碳纤维)、高可逆容量的钾离子电池负极材料(NHCF@NCC).该电极材料以多孔氮掺杂中空碳纤维为骨架,具有大比表面积,可有效地缩短钾离子的扩散距离,增加电极材料与电解质的接触界面.另外,附着在中空碳纤维上的不规则的氮掺杂团簇可以提供更多的反应活性位点.由于碳纤维高的纵横比,...     

有机电解液电化学改性PAN基碳纤维的表面性能

分别采用脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯、三乙醇胺和脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯铵盐3种有机电解液对PAN基碳纤维进行电化学氧化改性,通过化学滴定法、单纤维断裂强度测试和场发射扫描电镜考察改性前后碳纤维表面酸性官能团含量、力学性能及表面形貌的变化规律,得到电化学改性的最佳条件:浓度5%(质量分数)的O_3PNH_4乳液为电解液,电流密度为2A/g,恒温50℃电化学氧化2min。针对改性处理后的碳纤维的表面性能,进行X射线光电子能谱和单纤维接触角测试。结果表明:以O_3PNH_4为电解液对碳纤维电化学改性,可以在不影响碳纤维力学性能的前提下,增加碳纤维表面的酸性官能团,提高碳纤维的表面能。     

阳极氧化表面处理对碳纤维性能的影响

通过对国产PAN基碳纤维和沥青基碳纤维阳极氧化处理,得到了两种纤维的性能(σ_f,Cox/Cgr,表面形态)随阳极氧化处理条件变化的关系.实验结果表明,阳极氧化能较大地增加碳纤维表面的化学活性和物理活性.碳纤维经阳极氧化后,表面形成①—C—OH,②—C—OH=O,—O—C—O—,③—C=O,④R—CO₃—四种类型的含氧官能团,随阳极电位的升高,表面含氧官能团含量增加.阳极处理后的碳纤维,在其表面形成了微细缺陷,缺陷的形状因纤维的种类不同而不同.阳极电位是影响碳纤维性能最关键的电极参数.     

中空氮掺杂沥青基活性炭纤维的结构调控与电化学性能

以聚乙烯亚胺(PEI)为氮源与乙烯焦油沥青进行复合制备了可纺沥青,通过熔融纺丝、预氧化、炭化和活化制得了具备中空结构的富氮沥青基活性炭纤维(ACF)。利用N2吸附与脱附等温线、XPS、SEM、Mapping等分析技术对所制得的ACF的表面形貌、孔隙结构及表面化学性质进行了表征,并测试了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。研究结果表明,PEI在纺丝沥青中的掺入可明显提升ACF的比表面积,改善其孔径分布,增加其表面含氮官能团,从而改善材料表面润湿性,同时PEI在炭化过程中的热分解促使了纤维中空结构的形成,所制得ACF具有中空结构,提高了材料的有效比表面积,进而显著提高其比电容。PEI的掺入量为20%时,合成的可纺沥青所制备的ACF的比表面积高达2 756 m~2/g,孔径主要分布在0. 7～2 nm,其比电容在电流密度为0. 5 A/g时可达314 F/g,远高于未进行氮掺杂的ACF的比电容(194 F/g),显示出较好的电化学性能。     

PAN纤维微观结构与其性能相关性的研究

利用碘吸附法、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和小角x射线(SAXS)等测试方法对国内外企业生产的几种聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝的形貌结构、组织结构和孔分布等微观结构进行了系统的测试与研究。结果表明,各种PAN纤维的表面均有沟槽、裂纹等缺陷;内部都存在着尺寸分布不均的孔结构,包括大孔和微孔。对各种纤维原丝碘吸附的数值进行对比分析发现,日本三菱和东丽公司生产的PAN纤维碘吸附数值小,纤维的致密性较高。对各种PAN纤维的SAXS测试结果分析发现,PAN纤维内都存在尺寸分布一定且具有一定取向性的微孔结构。这些微观结构对PAN纤维的性能有着不同的影响作用,并决定着由其生产的PAN基碳纤维的结构与性能。     

棕榈基多孔碳对电纺PET纤维膜过滤性能的影响

通过静电纺丝法制得PET/棕榈基多孔碳(PET/PACF)杂化纤维膜,并用稀碱液对其进行表面刻蚀。研究了PACF含量对孔隙率、比表面积和过滤性能的影响。结果表明,随着PACF含量的增加,其孔隙率逐渐减小;当PACF质量含量为2%时,其比表面积从11.9m~2/g提高至57.56m~2/g,且内部存在微介孔结构;对甲基橙和气溶胶的过滤性能测试结果表明,纤维膜对气溶胶的过滤效率达99.99%,刻蚀处理利于对气溶胶和甲基橙溶液的过滤,体现了其微介孔的吸附作用。