碳纤维结构表征及其电化学性能研究

碳纤维是一种新型无机纤维材料,具有很高的强度与热稳定性,同时具有双电层电容特性,可应用于高强度耐高温类超级电容器电极基体材料的制备。通过SEM、Raman、XRD、电化学工作站等一系列测试手段对碳纤维进行相关的表征与测试。研究碳纤维结构与电化学性能之间的关系。发现碳纤维具有类石墨结构,使其同时具有良好的双电层电容特性和倍率性能。     

天然纤维/木质素纳米颗粒制备高性能多孔碳纤维电极

以天然纤维为载体,利用溶剂交换法将木质素纳米颗粒（LNPs）负载到纤维表面制备碳纤维电极材料,研究碳纤维材料的形貌、比表面积、热稳定性、结晶性能、表面电荷和电化学性能。结果表明：在LNPs与纤维的初始质量比为1︰10时,电极材料比电容最大,为7.88 F/g,远高于未负载LNPs的电极材料比电容值(0.60 F/g);在经过10 000次的循环测试(10A/g)后,电容保持率高达93%。研究表明LNPs可有效提高复合碳纤维电极材料的比表面积和碳含量,为木质素在能源领域中的高附加值利用提供了新途径。     

木质素纳米颗粒/天然纤维基活性碳纤维材料的制备及其电化学性能

以木质素纳米颗粒（LNPs）负载的天然纤维复合材料为研究对象,利用KOH活化的方法对其进行处理制备生物质基复合多孔活性碳纤维电极材料。随后在三电极体系中对合成的复合多孔活性碳纤维电极材料进行了电化学性能测试。研究表明,在0.5A/g的电流密度下,KOH活化的复合碳纤维电极材料的比电容为351.13F/g,远高于相同条件下未活化的复合碳纤维电极材料的比电容（7.88F/g）和未负载LNPs的天然纤维基活性碳纤维材料（306.50F/g）。而且在活化过程中,负载在纤维表面的LNPs会形成多孔的活性碳层结构,这会进一步提高复合活性碳纤维材料的循环稳定性,同时LNPs中丰富的羟基赋予复合材料额外的赝电容。在10A/g的电流密度下经过10000次循环后,复合活性碳纤维电极材料的电容保持率仍然为95%,高于未负载LNPs的活性碳纤维电极材料的电容保持率87%。结果表明,木质素纳米颗粒/天然纤维基活性碳纤维材料是一种理想的电极材料,本研究也为LNPs在生物质碳纤维作为储能电极材料的高值化应用提供了一条新途径。     

一维多孔碳纳米纤维的可控制备及电化学性能研究

利用静电纺丝技术,将聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与聚丙烯腈(PAN)纺丝原液混合,电纺得到高分子纤维膜,再结合高温碳化技术得到一维多孔PAN基碳纤维。通过X射线衍射(XRD)、差热热重(TG-DSC)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)等对所制备电极材料的结构和形态进行了系统表征,同时将其组成三电极体系研究电化学性能。结果表明:当纺丝原液中nPAN∶nPS=60∶1时,其在电流密度为0.5 A/g下的比电容值为339.23 F/g;当纺丝原液中n PAN∶n PMMA=40∶1时,其在电流密度为0.5 A/g下的比电容值为314.54 F/g,比纯PAN基碳纤维的比电容值有所上升;同时,在循环充放电2000圈后,初始比电容的保持率分别达95.5%和94.6%,展示出了良好的电容性能和循环性能。     

双金属氧化物的可控制备及在电容脱盐中的研究

为了获得高性能电容脱盐电极材料，以醋酸锌、醋酸锰和均苯三甲酸作为原料，通过原位自组装和高温下煅烧生成了层状锌锰双金属氧化物-碳纳米片复合材料（ZMO-CNS），对得到的样品分别进行形貌表征、结构表征以及电化学表征。将ZMO-CNS作为电容去离子体系的工作电极，活性炭作为对电极材料，进行电容脱盐测试。测试结果表明，制备的ZMO-CNS-0.5电极在初始NaCl浓度为500 mg/L，工作电压为1.2 V下表现出了最高的离子吸附效果，120 min测试之后的离子吸附容量高达26.5 mg/g，在高性能电容去离子电极材料领域中具有广阔的应用前景。     

基于聚酰胺树脂/聚乙二醇的超级电容器电极材料的制备及其性能表征

以聚酰胺树脂为炭化聚合物,聚乙二醇为热分解聚合物,通过聚合物共混法制备了具有典型中孔结构的活性炭材料。通过改变聚酰胺树脂和聚乙二醇之间的质量配比,研究了聚乙二醇的含量对材料活性炭结构的影响,并对其形貌、孔结构及电化学性能表征。结果表明:由于较高的比表面积(622.2 m2/g)以及较大的孔径(3.484 nm),质量配比2:1得到的活性炭材料显示出最高的比电容(281.54 F/g)。表明通过调控聚酰胺树脂和聚乙二醇之间的质量配比,可以有效改善相应活性炭的孔结构以及电极材料的电化学性能。     

PANI/MnO_2电极的制备及其在超级电容器中的应用

以盐酸为掺杂剂,苯胺为单体,过硫酸钾为引发剂,用MnO_2作添加剂,以水溶液聚合法制备了导电聚苯胺/MnO_2复合电极材料。将所制备的材料制作成超级电容器用的电极片,通过对电极材料进行CV测试、阻抗测试及超级电容器充放电测试,探讨了MnO_2添加量对聚苯胺/MnO_2复合电极的电化学性能影响。结果表明,当苯胺用量为0.3 mol时,MnO_2添加量为1.5 g时所制备的聚苯胺/MnO_2复合电极材料具有最佳的电化学性能。基于该电极片的超级电容器比电容高达408 F·g~(-1)。     

超薄碳纤维复合材料结构电池制备及其性能评价

智能系统、无人驾驶等现代交通的不断发展,对传统电池的轻量化、安全性、有效负载和循环寿命都提出了新的挑战。本文利用活性炭、介孔碳以及将两者按50%比例混合制备了三种不同的碳材料电极片,对其进行了微观形貌和电化学性能对比分析。选取性能最优的电极片与超薄碳纤维预浸料集成制备了结构电池,并采用万能试验机对其进行了拉伸、压缩、弯曲测试。实验结果表明:活性炭和介孔碳混杂制成的电极片具有更有利于离子迁移的表面形貌,用其制成的结构电池具有良好的充放电特性。在受载条件下,拉伸测试单位质量载荷小于240 kN/kg时,比电容和能量密度数据波动在15%以下;压缩测试单位质量载荷达到58 kN/kg时,比电容和能量密度提高了39.5%;弯曲测试单位质量载荷为16 kN/kg时,比电容和能量密度提高了12%。超薄碳纤维复合材料结构电池作为一种储能复合材料,在提高结构电池性能和系统轻量化方面具有巨大潜力。     

煤基石墨烯/炭纳米纤维复合材料的制备及其电化学性能

作为一种高性能新型储能器件,超级电容器具有功率密度高、充电时间短、绿色环保等诸多优点,决定超级电容器性能的关键因素是电极材料的性能。以煤为原料,通过高温热处理、化学氧化及等离子体还原技术制备得到煤基石墨烯;进一步将煤基石墨烯与聚丙烯腈(PAN)通过静电纺丝技术复合制备得到煤基石墨烯/炭纳米纤维(PM-CG)复合材料,以期借助于石墨烯所具备的高导电性、电子迁移率等性能获得具有优良电化学性能的电极材料。采用物理吸附仪、扫描电镜以及透射电镜等仪器对所制备的炭纳米纤维进行了表征,并通过电化学工作站研究了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明,煤基石墨烯成功掺杂到炭纳米纤维中,所制备的PM-CG复合材料在6 mol/L KOH电解液中的比电容值可达225.1 F·g~(-1),是同样条件下纯PAN炭纳米纤维比电容值的2.57倍。     

纳米无定型MnO2/炭黑复合电极的电容特性研究

以聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮为分散剂,加入高比表面积、高导电性的纳米级炭黑,采取化学共沉淀法制备MnO2／炭黑复合电极材料。借助SEM和XRD分析手段对样品结构及性能进行表征。研究结果表明复合材料为无定型、纳米级粉体。以不同的扫描速度、在不同的电位窗口范围内对MnO2／炭黑纳米复合电极作循环伏安测试和以不同的电流进行恒流充放电测试。结果表明：纳米级MnO2／炭黑复合电极在1mol／L的Na2SO4电解质溶液中具有理想的超级电容器特性。复合电极在电位窗口对应于饱和甘汞电极(saturated calomel electrode,SCE)电压为-0．2～ 0．8V范围内,具有良好的电容特性、电化学可逆性和良好的功率特性。复合电极的平均比电容达142．02F／g。     

同轴静电纺多级微纳米纤维膜的制备及其相变调温性能

为开发适宜人体温度的相变调温纺织品,采用同轴静电纺丝的方法将聚乙二醇(PEG)作为芯层封装在氮化硼(BN)增强的聚丙烯腈(PAN)壳层中,制备出氮化硼/聚丙烯腈/聚乙二醇(BN/PAN/PEG)复合相变纤维。研究了相变材料配比及BN浓度对纺丝膜形貌、热性能的影响,并对纤维膜进行热成像分析、热重分析表。结果表明:PEG1500与PEG1000-2在量比为6∶1时,复合相变材料的相变温度为36.4 ℃,满足人体温度舒适度要求;BN的质量分数为9%时,复合相变材料的热导响应性和储热效果最好。     

Oxidative stabilization of PAN/SWNT composite fiber

PAN/SWNT composite fibers have been spun with 0, 5, and 10 wt% single wall carbon nanotubes (SWNTs). Tensile fracture surfaces of polyacrylonitrile (PAN) fibers exhibited extensive fibrillation, while for PAN/SWNT composite fibers, tendency to fibrillate decreased with increasing SWNT content. The reinforcing effect of SWNTs on the oxidized polyacrylonitrile (PAN) fiber has been studied. At 10 wt% SWNTs, breaking strength, modulus, and strain to failure of the oxidized composite fiber increased by 100%, 160%, and 115%, respectively. Tensile fracture surfaces of thermally stabilized PAN and the PAN/SWNT fibers exhibited brittle behavior and well distributed SWNT ropes covered with the oxidized matrix can be observed in the tensile fracture surfaces of the fibers. No de-bonding has been observed between unoxidized or the oxidized PAN matrix and the nanotube ropes. Higher strain to failure of the oxidized composite fiber as compared to that of the oxidized control PAN fiber also suggests good adhesion/interaction between SWNT and the oxidized matrix. Thermal stresses generated on the composite fiber during the oxidation process were lower than those for the control fiber. The potential of PAN/SWNT composite fiber as the precursor material for the carbon fiber has been discussed.     

PAN基高模量碳纤维成型过程中的结构性能关联性

以实验室自制T800级聚丙烯腈（PAN）基高强中模碳纤维为原料，经连续石墨化处理得到M50J级、M55J级高模量碳纤维，以X射线衍射（XRD）、Raman光谱为表征手段研究了高强碳纤维向高模量碳纤维转变过程中石墨微晶、取向、微孔含量、石墨化度等石墨特征结构的演变规律，并开展了PAN基碳纤维石墨特征结构与力学性能的关联性研究。研究结果表明：在高强碳纤维向高模量碳纤维转变过程中，随着石墨微晶层间距d ₀₀₂的下降以及石墨微晶堆砌厚度L _c的增加，碳纤维的拉伸模量逐渐提升；石墨微晶层间距和微晶取向是影响碳纤维拉伸强度的两个主要因素，石墨微晶层间距d ₀₀₂值增加、石墨微晶取向越高，纤维拉伸强度也越高；在高模量碳纤维的成型过程中，纤维内部微孔含量随着石墨化程度的提高而降低；经过高温石墨化处理后，碳纤维的拉伸强度会随着Raman光谱中无序结构D峰和石墨特征结构G峰积分强度比值I _D /I _G的下降而下降。     

Preparation and Characterization of Polyvinyl Alcohol Based Copolymers as Wound Dressing Fibers

Biocompatible polyvinyl alcohol/polyethylene glycol and polyvinyl alcohol/polypropylene glycol copolymer mats were prepared by electrospinning. The composite fiber mats were subjected to detailed physical analysis complemented by scanning electron microscopy and Fourier transformations infrared spectroscopy. Scanning electron microscopy images showed that the morphology and diameters of the fibers were mainly affected by the types of polymers and their copolymer compositions. Microbial culture results showed that among the tested fibrous mats polyvinyl alcohol/50% polyethylene glycol gave the best results in preventing the cell attachment and proliferation. This novel electrospun matrix would be used as potential wound dressing material for skin regeneration.     

Graphene-modified carbon fiber mats used to improve the activity and stability of Pt catalyst for methanol electrochemical oxidation

Graphene-modified carbon fiber mats (GCFMs) with high conductivity of about 65 S cm⁻¹ and good flexibility have been fabricated by thermally treating electrospun polyacrylonitrile fibers decorated with graphene oxide. Pt particles were then deposited on the GCFM by using formaldehyde vapor as a reducer to react with H₂PtCl₆·6H₂O adsorbed on the GCFM. The obtained electro-catalytic electrodes were characterized and evaluated. The results show that the Pt catalyst loaded on GCFM exhibits high electro-catalytic activity, good tolerance towards reaction intermediates and unusually high stability towards methanol electrochemical oxidation because the special structure of GCFM can stabilize the Pt particles, and that the charge transfer resistance between the methanol and the catalytic electrode is as small as 15.7 Ωcm². An electrochemical catalyst with high activity and stability can be developed by using GCFM as a supporting material.     

碳纤维复合吸波涂层材料的性能影响研究

以水性聚氨酯为基,碳纤维为填料,制备了碳纤维复合吸波涂层材料。采用扫描电镜、差示扫描量热仪、傅里叶红外光谱仪、X射线衍射仪和矢量网络分析仪对碳纤维复合吸波涂层材料的结构与性能进行了测试和表征。实验结果表明:碳纤维复合吸波涂层材料为碳纤维和水性聚氨酯的物理结合,随着碳纤维含量的增加和厚度的增大,碳纤维复合吸波涂层材料的反射率峰值均向低频移动,当碳纤维含量为0.8%,涂层厚度为1.2 mm时,碳纤维复合吸波涂层的反射率峰值达到-6.01 dB,小于-5 dB的带宽为4.2 GHz,涂层面密度为1.02kg/m~2。     

聚乙二醇/氯化锌条件下回收CFRP方法研究

以真空辅助成型工艺(VARI)制作的碳纤维增强复合材料(CFRP)平板件为降解试件,使用乙酸对其进行分层预处理,然后以聚乙二醇为溶剂,氯化锌为催化剂,采用控制变量法在不同的反应温度、反应时间,氯化锌浓度等工艺参数下对CFRP进行降解回收。利用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、动态接触角测量仪、纤维强度仪对回收碳纤维的表面形貌和元素、浸润性以及力学性能进行表征分析。结果表明,CFRP降解的理想工艺条件为:用乙酸于120℃下分层预处理30 min,然后在190℃下,使用浓度为0.6 mol/L氯化锌/聚乙二醇环境反应60 min。使用该方法回收的CFRP,树脂降解率能达到98%以上,碳纤维表面干净光滑无树脂残留,表面元素与原丝相比变化较小,碳纤维和水与乙二醇的浸润性相比原丝得到改善,碳纤维的弹性模量达到原丝的98%以上,拉伸强度达到原丝的97%以上。     

Piezoelectric polymeric bicomponent fibers produced by melt spinning

Melt spinning of a novel piezoelectric bicomponent fiber, with poly(vinylidene fluoride) as the electroactive sheath component, has been demonstrated. An electrically conductive compound of carbon black (CB) and high density polyethylene was used as core material, working as an inner electrode. A force sensor consisting of a number of fibers embedded in a soft CB/polyolefin elastomer matrix was manufactured for characterization. The fibers showed a clear piezoelectric effect, with a voltage output (peak‐to‐peak) of up to 40 mV under lateral compression. This continuous all‐polymer piezoelectric fiber introduces new possibilities toward minimal single fiber sensors as well as large area sensors produced in standard industrial weaving machines. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci, 2012     

干喷湿纺中聚丙烯腈初生纤维断裂行为研究

为了系统研究干喷湿纺中聚丙烯腈初生纤维的拉伸行为,利用SEM、纤维强伸度仪、XRD等手段,分析了凝固浴拉伸比、拉伸速率、微观结构和缺陷等对初生纤维断裂行为的影响。结果表明,干喷湿纺中,凝固浴拉伸比的提高有利于增加初生纤维的结晶度和断裂延伸率;同时发现,初生纤维内外部的缺陷以及拉伸的速率对初生纤维的断裂行为有重要影响。