【酚醛基活性炭纖維在超級電容器的應用研究2600字】

酚醛基活性炭纖維在超級電容器的應用研究目錄TOC\o"1-3"\h\u12121酚醛基活性炭纖維在超級電容器的應用研究 1114281.1酚醛基活性炭纖維的制備方法 1257601.1.1酚醛樹脂的合成 1268821.1.2紡絲成酚醛纖維 2253551.1.3碳化酚醛纖維 2314401.1.4活化酚醛炭纖維 339851.2酚醛基活性炭纖維的電學特性 4活性炭纖維是一種功能纖維[2]，具有耐高溫，成型性能好，機械強度高，耐酸堿腐蝕，對環境沒有污染等特點，是一種可以循環再生的優秀電容器電極材料。因此活性炭纖維材料受到了人們的廣泛關注和研究。其中酚醛基活性炭纖維具有炭化收率高、導電性能好，孔徑分布均勻，強度好，易加工等優點[2-3]，實驗證明，酚醛基活性炭纖維能夠明顯提高超級電容器的電容量和穩定性［9］。1.1酚醛基活性炭纖維的制備方法酚醛基活性炭纖維的制備步驟如下：首先是酚醛樹脂的合成[2]，然后是紡絲成酚醛纖維，接下來碳化酚醛纖維，最后一步活化，最終獲得酚醛基活性炭纖維。1.1.1酚醛樹脂的合成酚醛樹脂是由醛類化合物和酚類化合物縮聚制得的。通過使用不同的催化劑和控制改變制備過程中的溫度、氣壓參數，得到不同的酚醛樹脂合成方法，一般認為可以將酚醛樹脂的合成方法分為熱塑性酚醛樹脂和熱固性酚醛樹脂[2]。熱塑性酚醛樹脂熱塑性酚醛樹脂的制備過程需要配制苯酚——甲醛溶液，摩爾之比大于1[2]。在酸性催化劑的環境下，苯酚與甲醛反應后減壓脫水生成熱塑性酚醛樹脂。宋家樂等人[10]對熱塑性酚醛樹脂的合成工藝進行了研究，得出結論為在溫度85℃，甲醛-苯酚溶液摩爾比為1.15，酸性催化劑的質量分數1.0%的條件下，反應4h，熱塑性酚醛樹脂的產量最高。熱固性酚醛樹脂熱固性酚醛樹脂的制備過程需要配制苯酚——甲醛溶液，摩爾之比小于1[2]。在堿性催化劑的環境下，將苯酚與甲醛反應物加熱至60℃及以上，反應過程持續數小時，就能得到熱固性酚醛樹脂。楊麗君等人[11]對熱固性酚醛樹脂的制備工藝做了進一步改進，在熱塑性酚醛樹脂的基礎上得到了熱固性酚醛樹脂。制備過程具體分成兩步，首先通過常規方法獲得熱塑性酚醛樹脂，再將它作為母體在堿性催化劑的環境下進行羥甲基化反應，接著通過酸堿中和反應調節pH值到6附近，最后通過抽濾，抽真空得到熱固性酚醛樹脂。1.1.2紡絲成酚醛纖維酚醛樹脂進行紡絲可以得到更好性能的酚醛纖維。酚醛樹脂紡絲制備成酚醛纖維的方法主要有以下幾種：離心紡絲法離心紡絲法[12-13]是利用特定的裝置在一定的溫度下進行高速旋轉產生離心力將聚合物溶液從小孔中甩出（在這個過程中酚醛樹脂受離心力拉伸纖維化），在接受裝置上冷卻凝固形成酚醛纖維。洪磊等人[14]利用熱重分析儀對離心紡絲法制得的酚醛纖維進行了測試分析，結果表明：當溫度低于250℃時，酚醛纖維具有較好的熱穩定性，同時酚醛纖維固化后的殘炭率達到61%，隨著熱分解溫度的小幅提升，熱重損失幅度也逐漸放緩。利用纖維測徑儀對酚醛纖維直徑進行測量，發現當加工溫度提高時，酚醛纖維的直徑也會有些許增大。熔融紡絲法熔融紡絲法[15]以熱塑性酚醛樹脂為主要原料，將溫度升至60℃以上，酚醛樹脂會呈現熔融狀態，再經由紡絲機擠出成型，在空氣中冷卻制得初始酚醛纖維，制得的酚醛纖維可以在固化液（鹽酸、水、甲醛一定比例配制）中加熱固化，最終得到酚醛纖維。在酚醛纖維固化的過程中升溫速率和固化液濃度對酚醛纖維的固化有一定影響。劉春玲等人[16-18]通過實驗得出結論：當固化液中甲醛質量分數為18.5%，鹽酸質量分數為12%時[2]，酚醛纖維的固化效果最好。濕法紡絲法濕法紡絲法是將酚醛樹脂和聚乙烯醇共混成紡絲性好的原液，原液通過紡絲機拉伸擴散后得到初始酚醛纖維。這種方法不需要像熔融紡絲法那樣采用固化液固化，只需通過脫水、脫醛兩個工序，能夠減小對實驗人員的傷害，同時減少環境污染。1.1.3碳化酚醛纖維酚醛纖維的碳化對于制備酚醛活性炭纖維至關重要，直接影響酚醛活性炭纖維的性能。碳化的過程是將酚醛纖維在惰性氣體中加熱，纖維受熱分解，雜質隨氣體溢出，除去纖維中可揮發的雜質后，剩下的纖維碳晶進行重新排列，最終形成穩定的酚醛炭纖維。碳化過程使酚醛纖維表面的孔徑分布均勻，隨著碳化溫度的升高，孔徑的開口也會隨著略微增大，所以碳化過程溫度一般保持在500-1500℃[2]。1.1.4活化酚醛炭纖維活化酚醛炭纖維是制備酚醛基活性炭纖維的最后一步，控制纖維的結構顯得尤為至關重要?；罨哪康氖鞘估w維表面孔徑擴大，同時獲得新孔，從而獲得更大的比表面積?；罨尤┨坷w維的方法分為物理活化法和化學活化法：物理活化法物理活化法是利用高溫揮發氣體對纖維表面進行蝕刻，這個方法是目前活化酚醛炭纖維的主要方法。物理活化法是在混合氣體（水蒸氣，氧氣，二氧化碳）的氛圍下進行碳的氧化反應，以此來對纖維表面進行蝕刻，這個方法能讓纖維的表面孔徑結構更加發達。（2）化學活化法化學活化法是將化學試劑嵌入纖維表面[2]，通過縮聚反應在嵌入試劑的位置形成微孔，增大比表面積?；瘜W活化法是通過與纖維表面的化學試劑反應，所以會出現反應沒有發生完全的現象，需要通過多次水洗和烘干增大了制備成本，同時也會影響酚醛活性炭纖維的外觀和性能。圖示2-1給出了酚醛炭纖維活化前后的掃描電鏡圖片，能夠看出，活化后出現明顯的孔洞，纖維的比表面積明顯增大。圖2-1活性酚醛炭纖維活化前（a）和活化后（b）的掃描電鏡照片[5]1.2酚醛基活性炭纖維的電學特性因為酚醛炭纖維表面有層均勻有序的石墨層，這種結構導致電荷的傳遞比較困難，因此，酚醛炭纖維的電阻值明顯高于酚醛炭纖維顆粒的電阻值。將酚醛炭纖維粉碎研磨，通過破壞有序石墨層，使酚醛炭纖維內部保持電荷傳導的同時能夠有效降低電極材料的電阻值。薛榮等人[3]通過電化學實驗測得，活性炭纖維和酚醛基活性炭纖維作為兩電極時，電流電壓曲線接近矩形[3]，由此說明它們有雙電層特性，適合作為超級電容器的電極材料。圖2-2活性炭纖維（ACF）和酚醛基活性炭纖維（PACF）電極的循環伏安曲線[5]圖示2-2說明酚醛基活性炭纖維的曲線（PACF）比活性炭纖維（ACF）曲線更接近矩形，酚醛基活性炭纖維的電荷傳導更好。圖2-3活性炭纖維（ACF）和酚醛基活性炭纖維（PACF）電極的充放電曲線[5]從圖2-3可以看出酚醛基活性炭纖維和一般的活性炭纖維一樣有電容特性，在接近80s時達到峰值。圖2-4活性炭纖維（ACF）和酚醛基活性炭纖維（PACF）電極電流密度