聚丙烯腈基活性炭纖維在超級(jí)電容中的應(yīng)用目錄TOC\o"1-3"\h\u23717聚丙烯腈基活性炭纖維在超級(jí)電容中的應(yīng)用研究 18231.1聚丙烯腈基活性炭纖維的制備流程 115421.1.1聚丙烯腈基活性炭纖維的制備 1214941.1.2聚丙烯腈纖維預(yù)氧化 2310341.1.3聚丙烯腈基纖維碳化 3260211.2聚丙烯腈基活性炭纖維的電學(xué)特性 4121481.2.1聚丙烯腈基活性炭纖維循環(huán)伏安測(cè)試 4311741.2.2聚丙烯腈基活性炭纖維交流阻抗測(cè)試 5制備活性炭纖維的原料有多種,不同原料制得的活性炭纖維有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中聚丙烯腈基炭纖維具有較高的強(qiáng)度?；钚蕴坷w維因?yàn)楸砻娴奈⒖追植迹龃罅吮缺砻娣e，有一定的吸附作用。聚丙烯腈基活性炭纖維含有氮元素,所以對(duì)含氮有機(jī)物具有吸附性[19]。1.1聚丙烯腈基活性炭纖維的制備流程圖3-1聚丙烯腈基活性炭纖維制備流程[4]1.1.1聚丙烯腈基活性炭纖維的制備李博弘等人[5]將一定量的聚丙烯腈，N,N-二甲基甲酰胺和改性物質(zhì)（聚乙二醇）混合攪拌攪拌7d后得到紡絲液。用注射器抽取一定量的紡絲液，在距離毛細(xì)針管處20cm的位置放置接收屏，在針管處加上高壓電源輸出電壓20kv,推動(dòng)注射泵，經(jīng)過(guò)毛細(xì)管后由于靜電作用拉伸排斥形成纖維。圖3-2聚丙烯腈基纖維紡絲裝置示意圖[4]1.1.2聚丙烯腈纖維預(yù)氧化將所得纖維放入干燥箱中，利用鼓入空氣對(duì)纖維進(jìn)行預(yù)氧化。其中預(yù)氧化有兩種方法，分別是恒溫預(yù)氧化和階段升溫預(yù)氧化。李博弘[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分組對(duì)比對(duì)聚丙烯腈纖維預(yù)氧化的兩種方法進(jìn)行了比較，表3-1和表3-2分別是兩組實(shí)驗(yàn)具體的制備條件。表3-1恒溫預(yù)氧化組[4]表3-2階段升溫預(yù)氧化組[4]環(huán)化程度是聚丙烯腈基纖維預(yù)氧化[5]的重要標(biāo)志，通常用AI[20]（芳構(gòu)化指數(shù)）來(lái)判斷。當(dāng)AI值小于0.5時(shí)，表示該纖維不能進(jìn)行下一步碳化；當(dāng)AI值在0.5-0.6間時(shí)，聚丙烯腈纖維已有約50%以上達(dá)到環(huán)化結(jié)構(gòu)；當(dāng)AI值大于0.6時(shí)，分子鏈裂解程度太大，預(yù)氧化過(guò)度。表3-3是恒溫預(yù)氧化組的AI值和質(zhì)量殘留數(shù)據(jù)，從中能夠看出，隨著溫度的提高，恒溫組的AI值也隨之增大，同時(shí)質(zhì)量殘留率也逐漸減少，其中A4組的AI值在0.5-0.6的區(qū)間內(nèi)，是環(huán)化程度最好的一組。表3-3恒溫預(yù)氧化組AI值和質(zhì)量殘留[4]表3-4階段升溫預(yù)氧化組AI值和質(zhì)量殘留[4]表3-4是階段升溫預(yù)氧化組的AI值和質(zhì)量殘留數(shù)據(jù)，從中可以看出隨著階段性升溫的幅度增大時(shí)，AI值越來(lái)越大，質(zhì)量殘留率越來(lái)越小。表4中B1組，B2組在AI值區(qū)間0.5-0.6之間，我們能夠得到結(jié)論：聚丙烯腈基纖維的預(yù)氧化受溫度變化影響，當(dāng)溫度恒定或變化平緩時(shí)，聚丙烯腈基纖維預(yù)氧化效果越好。1.1.3聚丙烯腈基纖維碳化將1.1.2所得的聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維放入碳化裝置，在惰性氣體氛圍中（防止聚丙烯腈基纖維在碳化過(guò)程中燃燒[4]），將溫度升至600-900℃，3h后得到聚丙烯腈基活性炭纖維。劉瑩等人[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)碳化過(guò)程的溫度對(duì)聚丙烯腈基活性炭纖維的吸附性能有影響。如表3-5所示，碳化溫度為700℃時(shí)，吸附量最高，這是因?yàn)樘蓟瘻囟冗^(guò)低時(shí)，分子與分子間未能脫水，脫氫形成碳結(jié)構(gòu)，溫度過(guò)高時(shí)，N元素隨可揮發(fā)性氣體逸出，降低了聚丙烯腈活性炭纖維的吸附性。表3-5碳化溫度對(duì)聚丙烯腈基活性炭纖維的影響[4]1.2聚丙烯腈基活性炭纖維的電學(xué)特性1.2.1聚丙烯腈基活性炭纖維循環(huán)伏安測(cè)試圖3-3CHI電化學(xué)循環(huán)伏安測(cè)試裝置[4]測(cè)試采用三電極體系[5]，將聚丙烯腈基活性炭纖維作為工作電極，鉑電極為輔助電極，氧化汞電極為參比電極，如圖3-3CHI電化學(xué)循環(huán)伏安測(cè)試裝置所示。圖3-4聚丙烯腈基活性炭纖維(負(fù)極)循環(huán)伏安曲線[4]圖3-4聚丙烯腈基活性炭纖維循環(huán)伏安曲線與酚醛基活性炭纖維循環(huán)伏安曲線類似，都表現(xiàn)出雙電層特性，由圖可以看出在溫度900℃時(shí)，聚丙烯腈基活性炭纖維作為電極（負(fù)極）時(shí)，電容值最高。圖3-5聚丙烯腈基活性炭纖維（正極）循環(huán)伏安曲線[4]圖3-5所示聚丙烯腈基活性炭纖維（正極）循環(huán)伏安曲線有氧化還原特征峰，表現(xiàn)出典型的贗電容特性[5]。1.2.2聚丙烯腈基活性炭纖維交流阻抗測(cè)試將聚丙烯腈活性炭纖維作為正負(fù)電極，兩電極片夾鎳氫電池隔膜[5]組成超級(jí)電容器。如圖3-6所示為超級(jí)電容器的組裝方法。李博弘等人[5]使用電池程控測(cè)試儀對(duì)其進(jìn)行交流阻抗測(cè)試，在電解液6mol/L氫氧化鉀溶液中測(cè)得聚丙烯腈基活性炭纖維的交流阻抗