【酚醛基活性炭纤维在超级电容器的应用研究2600字】

酚醛基活性炭纤维在超级电容器的应用研究目录TOC\o"1-3"\h\u12121酚醛基活性炭纤维在超级电容器的应用研究 1114281.1酚醛基活性炭纤维的制备方法 1257601.1.1酚醛树脂的合成 1268821.1.2纺丝成酚醛纤维 2253551.1.3碳化酚醛纤维 2314401.1.4活化酚醛炭纤维 339851.2酚醛基活性炭纤维的电学特性 4活性炭纤维是一种功能纤维[2]，具有耐高温，成型性能好，机械强度高，耐酸碱腐蚀，对环境没有污染等特点，是一种可以循环再生的优秀电容器电极材料。因此活性炭纤维材料受到了人们的广泛关注和研究。其中酚醛基活性炭纤维具有炭化收率高、导电性能好，孔径分布均匀，强度好，易加工等优点[2-3]，实验证明，酚醛基活性炭纤维能够明显提高超级电容器的电容量和稳定性［9］。1.1酚醛基活性炭纤维的制备方法酚醛基活性炭纤维的制备步骤如下：首先是酚醛树脂的合成[2]，然后是纺丝成酚醛纤维，接下来碳化酚醛纤维，最后一步活化，最终获得酚醛基活性炭纤维。1.1.1酚醛树脂的合成酚醛树脂是由醛类化合物和酚类化合物缩聚制得的。通过使用不同的催化剂和控制改变制备过程中的温度、气压参数，得到不同的酚醛树脂合成方法，一般认为可以将酚醛树脂的合成方法分为热塑性酚醛树脂和热固性酚醛树脂[2]。热塑性酚醛树脂热塑性酚醛树脂的制备过程需要配制苯酚——甲醛溶液，摩尔之比大于1[2]。在酸性催化剂的环境下，苯酚与甲醛反应后减压脱水生成热塑性酚醛树脂。宋家乐等人[10]对热塑性酚醛树脂的合成工艺进行了研究，得出结论为在温度85℃，甲醛-苯酚溶液摩尔比为1.15，酸性催化剂的质量分数1.0%的条件下，反应4h，热塑性酚醛树脂的产量最高。热固性酚醛树脂热固性酚醛树脂的制备过程需要配制苯酚——甲醛溶液，摩尔之比小于1[2]。在碱性催化剂的环境下，将苯酚与甲醛反应物加热至60℃及以上，反应过程持续数小时，就能得到热固性酚醛树脂。杨丽君等人[11]对热固性酚醛树脂的制备工艺做了进一步改进，在热塑性酚醛树脂的基础上得到了热固性酚醛树脂。制备过程具体分成两步，首先通过常规方法获得热塑性酚醛树脂，再将它作为母体在碱性催化剂的环境下进行羟甲基化反应，接着通过酸碱中和反应调节pH值到6附近，最后通过抽滤，抽真空得到热固性酚醛树脂。1.1.2纺丝成酚醛纤维酚醛树脂进行纺丝可以得到更好性能的酚醛纤维。酚醛树脂纺丝制备成酚醛纤维的方法主要有以下几种：离心纺丝法离心纺丝法[12-13]是利用特定的装置在一定的温度下进行高速旋转产生离心力将聚合物溶液从小孔中甩出（在这个过程中酚醛树脂受离心力拉伸纤维化），在接受装置上冷却凝固形成酚醛纤维。洪磊等人[14]利用热重分析仪对离心纺丝法制得的酚醛纤维进行了测试分析，结果表明：当温度低于250℃时，酚醛纤维具有较好的热稳定性，同时酚醛纤维固化后的残炭率达到61%，随着热分解温度的小幅提升，热重损失幅度也逐渐放缓。利用纤维测径仪对酚醛纤维直径进行测量，发现当加工温度提高时，酚醛纤维的直径也会有些许增大。熔融纺丝法熔融纺丝法[15]以热塑性酚醛树脂为主要原料，将温度升至60℃以上，酚醛树脂会呈现熔融状态，再经由纺丝机挤出成型，在空气中冷却制得初始酚醛纤维，制得的酚醛纤维可以在固化液（盐酸、水、甲醛一定比例配制）中加热固化，最终得到酚醛纤维。在酚醛纤维固化的过程中升温速率和固化液浓度对酚醛纤维的固化有一定影响。刘春玲等人[16-18]通过实验得出结论：当固化液中甲醛质量分数为18.5%，盐酸质量分数为12%时[2]，酚醛纤维的固化效果最好。湿法纺丝法湿法纺丝法是将酚醛树脂和聚乙烯醇共混成纺丝性好的原液，原液通过纺丝机拉伸扩散后得到初始酚醛纤维。这种方法不需要像熔融纺丝法那样采用固化液固化，只需通过脱水、脱醛两个工序，能够减小对实验人员的伤害，同时减少环境污染。1.1.3碳化酚醛纤维酚醛纤维的碳化对于制备酚醛活性炭纤维至关重要，直接影响酚醛活性炭纤维的性能。碳化的过程是将酚醛纤维在惰性气体中加热，纤维受热分解，杂质随气体溢出，除去纤维中可挥发的杂质后，剩下的纤维碳晶进行重新排列，最终形成稳定的酚醛炭纤维。碳化过程使酚醛纤维表面的孔径分布均匀，随着碳化温度的升高，孔径的开口也会随着略微增大，所以碳化过程温度一般保持在500-1500℃[2]。1.1.4活化酚醛炭纤维活化酚醛炭纤维是制备酚醛基活性炭纤维的最后一步，控制纤维的结构显得尤为至关重要。活化的目的是使纤维表面孔径扩大，同时获得新孔，从而获得更大的比表面积。活化酚醛炭纤维的方法分为物理活化法和化学活化法：物理活化法物理活化法是利用高温挥发气体对纤维表面进行蚀刻，这个方法是目前活化酚醛炭纤维的主要方法。物理活化法是在混合气体（水蒸气，氧气，二氧化碳）的氛围下进行碳的氧化反应，以此来对纤维表面进行蚀刻，这个方法能让纤维的表面孔径结构更加发达。（2）化学活化法化学活化法是将化学试剂嵌入纤维表面[2]，通过缩聚反应在嵌入试剂的位置形成微孔，增大比表面积。化学活化法是通过与纤维表面的化学试剂反应，所以会出现反应没有发生完全的现象，需要通过多次水洗和烘干增大了制备成本，同时也会影响酚醛活性炭纤维的外观和性能。图示2-1给出了酚醛炭纤维活化前后的扫描电镜图片，能够看出，活化后出现明显的孔洞，纤维的比表面积明显增大。图2-1活性酚醛炭纤维活化前（a）和活化后（b）的扫描电镜照片[5]1.2酚醛基活性炭纤维的电学特性因为酚醛炭纤维表面有层均匀有序的石墨层，这种结构导致电荷的传递比较困难，因此，酚醛炭纤维的电阻值明显高于酚醛炭纤维颗粒的电阻值。将酚醛炭纤维粉碎研磨，通过破坏有序石墨层，使酚醛炭纤维内部保持电荷传导的同时能够有效降低电极材料的电阻值。薛荣等人[3]通过电化学实验测得，活性炭纤维和酚醛基活性炭纤维作为两电极时，电流电压曲线接近矩形[3]，由此说明它们有双电层特性，适合作为超级电容器的电极材料。图2-2活性炭纤维（ACF）和酚醛基活性炭纤维（PACF）电极的循环伏安曲线[5]图示2-2说明酚醛基活性炭纤维的曲线（PACF）比活性炭纤维（ACF）曲线更接近矩形，酚醛基活性炭纤维的电荷传导更好。图2-3活性炭纤维（ACF）和酚醛基活性炭纤维（PACF）电极的充放电曲线[5]从图2-3可以看出酚醛基活性炭纤维和一般的活性炭纤维一样有电容特性，在接近80s时达到峰值。图2-4活性炭纤维（ACF）和酚醛基活性炭纤维（PACF）电极电流密度