基于靜電紡絲技術構筑碳-錫基納米纖維材料及其性能研究.pdf

1、本文分別以聚丙烯腈（PAN）作為碳納米纖維前驅體，五水合四氯化錫(SnCl4·5H2O)作為氧化錫(SnO2)前驅體，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作為紡絲助劑，采用靜電紡絲技術結合碳化處理或高溫煅燒法，制備了平均纖維直徑分別為255.05nm的多孔碳納米纖維膜和364.40nm的多孔氧化錫納米纖維膜以及碳-錫基復合納米纖維膜。通過光學顯微鏡、SEM、TGA、FTIR、Raman、XRD、EDX、接觸角測量儀和Autolab電化學工作站儀等表

2、征手段對纖維膜進行了結構表征、形貌觀察、浸潤性分析和電容性測試。
　　重均分子量53000的PAN具有良好可紡性的工藝參數(shù)分別為濃度約(12～14)％，黏度范圍約(600～1200) mPa.s，流速約(0.1～1.0) mL/h，電場強度(1.2～1.6) kV/cm，兩噴絲頭間距約15.00cm。探討了預氧化溫度、加熱速率、加熱介質等對PAN預氧化結構轉變的影響，經(jīng)過優(yōu)化后預氧化工藝參數(shù)確定為預氧化溫度290℃，升溫速率為3℃

3、/min，預氧化時間80min，空氣作為氧化介質。通過FTIR、Raman、XRD表征手段研究了碳化溫度對碳納米纖維結構的影響，明確了隨著碳化溫度的升高，碳纖維中的類石墨層狀結構變得更加致密及有序化，石墨層間距減小，類石墨結構尺寸增加。通過浸潤性測試發(fā)現(xiàn)PAN纖維膜、預氧化膜和碳化膜三個階段的接觸角變化規(guī)律。
　　使用FE-SEM表征了PVP/SnCl4纖維膜煅燒前后的微觀形貌和尺寸，利用XRD研究了焙燒溫度對晶粒尺寸的影響，利用

4、FTIR、TGA-DTA和Raman等手段研究了纖維膜的分子結構變化、熱穩(wěn)定性和物相結構。研究結果表明，固定兩噴絲頭間距15.0 cm、流速0.5 mL/h、電場強度(1.1～1.4) kV/cm和黏度范圍約(1500～3300) mPa.s時，可以電紡出表面光滑、平均直徑約640.87nm的PVP/SnCl4纖維膜;經(jīng)900℃焙燒后得到了平均纖維直徑約364.40nm、晶粒尺寸約12.27nm的四方相金紅石型晶體結構的粗糙多孔氧化錫納

5、米纖維膜，經(jīng)接觸角測試發(fā)現(xiàn)這種纖維膜為親水材料。
　　通過共軛靜電紡絲技術結合高溫煅燒法，構筑了結構新穎的“肩并肩”復合納米纖維。利用FTIR、TGA、FE-SEM和EDX等手段表征了這種復合纖維膜煅燒前后的表面結構變化和微觀形貌;接觸角測試表明這種復合纖維膜煅燒前后表面對水的浸潤性發(fā)生了顯著變化，由親水性轉變?yōu)槭杷?。利用電化學工作站研究了碳化溫度和掃描速率對未活化的碳納米纖維膜和碳-錫基復合納米纖維膜的電容特性影響，結果表明，

6、碳化溫度越高，碳纖維結構的石墨化程度越高，導電性更好，電容特性更佳;掃描速率對電容性的影響主要取決于電解液中陰、陽離子的擴散速率和纖維膜電極表面的活性面積二者誰為控制因素;當電流密度為20mA/g時，900℃碳化的碳納米纖維膜和碳-錫基復合納米纖維膜的比電容分別為46.1F/g、53.7F/g，ESR值為220Ω、223Ω，可以看出，錫元素復合協(xié)同改善了碳纖維膜電極電容特性，1100℃碳化后，碳-錫基復合納米纖維膜電極的比電容為83.3