感应静电辅助溶液喷射纺丝技术及纳米纤维应用研究

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纳米纤维因纤维直径小、比表面积大等优点使其在诸多领域表现出了广阔的应用前景。目前纳米纤维的制备方法均存在生产效率低等问题,成为阻碍纳米纤维应用的瓶颈。  溶液喷射纺丝技术是一种以高速气流为成形驱动力的纳米纤维制备新技术,具有生产效率高、原料适应性广、能耗低等优点,有望发展成为纳米纤维规模化制备的重要方法。但该技术制备纤维过程中易于出现纤维并丝、分布不匀等问题,在一定程度上阻碍了技术的发展。  本文基于静电分丝理论,将感应电场引入溶液喷射纺丝系统,发明了感应静电辅助溶液喷射纺丝技术(EISBS),设计并组装了纺丝装置,并以聚丙烯腈(PAN)溶液为原料探讨了该技术的可行性,研究表明感应电场的引入有效抑制了纤维并丝、成束、分布不匀的问题。论文进一步利用响应面法系统研究了工艺参数对纤维形貌及结构的影响,结果表明:感应电场与高速气流之间存在交互作用,响应面分析为EISBS工艺优化提供了指导;EISBS能够在一定范围内调控纳米纤维直径与卷曲度;感应电场可以再一定范围内提高纤维结晶性能。  实验证明EISBS是一种可行的,可控的纳米纤维制备方法。在此基础上,论文研究了EISBS纺PAN纳米纤维薄膜在超级电容器隔膜中的应用性能,其孔隙率可以达到86.9%;平均孔径在1至2um之间;强力可以达到4Mpa;离子电导率在42至60uS/cm之间;结果表明实验表明纳米纤维膜具有高孔隙率和高强力的特点,电化学性能表现良好。  论文以Zn(Ac)2和PAN为原料,采用EISBS溶液喷射技术制备纳米纤维,经过预氧化碳化后得到ZnO/CNFs,ZnO以点富集的形式均匀分布在单根CNF中。在循环伏安测试扫描速率5mV/s的情况下,比电容变化达到320.46 F/g;在恒电流充放电1A/g的电流密度下比电容达到260.2F/g,在交流阻抗测试中表现出低阻抗高扩散性能的特点,结果证明它是一种高能量密度,高功率密度的具有前景的超级电容器电极材料。
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