静电纺丝制备聚丙烯腈基纳米碳纤维及其储钠性能研究

在各类有机聚合物热解碳中,聚丙烯腈(PAN)因具有碳残留率高、热稳定性好、成本低、热解速率快等优点,可作为碳材料的重要前驱体。钠离子电池负极材料应尽量满足储钠效率高、价格低、性能稳定的要求,通过对电池负极材料结构设计与优化可提升其储钠容量和倍率性能。静电纺丝法因具有制备纳米纤维效率高、热稳定性好、成本低等特点而备受关注。因此,本研究利用静电纺丝技术,经280℃的预氧化处理和1000℃碳化处理工艺,制备PAN基纳米碳纤维钠离子电池材料,并研究其储钠性能。结果表明,在电流密度为68 mA/g的条件下,循环100次后充电比容量为186.6 mA·h/g,容量保持率为83.6%;倍率测试结果表明,通过静电纺丝制备的PAN基纳米碳纤维材料可逆容量高、倍率性能优异。本研究为制备钠离子电池提供了参考。

模板中热解聚丙烯腈制备碳纳米管阵列

采用模板合成技术,以具有规整孔洞结构的阳极氧化铝膜(AAO)为模板,制备有序排列的碳纳米管阵列。制备过程是在AAO模板中通过化学聚合法,首先制备聚丙烯腈(PAN)纳米管阵列,然后将PAN纳米管于750℃,氮气气氛中热解,制备碳纳米管阵列。用SEM、TEM和XRD表征聚丙烯腈纳米管和碳纳米管的结构和形貌,并探讨竹节状碳纳米管的形成机理。结果表明,两种纳米管的管径约为200nm,与模板孔道的孔径相当,纳米管能排列成有序的阵列结构;XRD分析证实碳纳米管具有较高的结晶度;TEM照片显示碳纳米管具有独特的竹节状结构,可能是由于聚丙烯腈纳米管的热解产物在模板内不均匀沉积和碳化造成的。

聚多巴胺涂覆改性聚丙烯腈纳米纤维膜及其油水分离性能

以聚多巴胺(PDA)为涂层剂,静电纺聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜为基体,制备了PDA/PAN纳米纤维复合材料,测试多巴胺涂层处理对复合材料的表面形貌、力学性能、孔径分布、纯水通量与乳化油截留率等相关性能的影响。研究结果表明:涂层后的静电纺纳米纤维断裂强度明显增加;膜纯水通量明显增大,在涂层液质量浓度为1 mg/mL时静电纺纳米纤维膜纯水通量最高达到14 656L/(m^2·h),较未改性纳米纤维膜增加63%;在涂层液质量浓度为1.5mg/mL时纤维膜获得了最小孔径,其乳化油截留率也达到最佳值(96.1%),同时可以保证高水通量和高乳化油截留率。

梯度复合聚丙烯腈纳米纤维膜的制备及其过滤性能

为发挥纳米纤维膜在高效空气过滤材料领域的作用并实现连续化生产,通过自制静电辅助溶液喷射纺丝实验机,采用Box-Behnken试验设计方法,建立了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维直径和纺丝工艺参数的关系。利用在线复合方式连续制备了不同直径梯度复合的PAN纳米纤维膜并将其用于空气过滤领域,并对纤维膜的结构和形貌进行了表征。结果表明:通过调整纺丝工艺参数可有效地实现对纤维直径的控制;同时由该技术所制得的复合膜在消除静电后,通过物理筛分作用,对0.4μm的癸二酸二辛酯粒子具有99.923%的过滤效率和117 Pa的压降,对大于0.8μm的粒子具备100%的过滤效率。

聚丙烯腈基碳纳米管复合材料的制备及其表征

碳纳米管添加到聚合物中对其结构和性能都有深远的影响,本文通过浓硝酸对碳纳米管改性后,采用水相沉淀聚合的方法制备了聚丙烯腈/碳纳米管复合材料,同时研究了碳纳米管经过浓硝酸处理后其化学结构的变化;探讨了碳纳米管对聚丙烯腈复合材料热学和结晶性的影响。研究表明,浓硝酸常温处理不仅能除去杂质,还可以在碳纳米管表面引入羧基等含氧基团;加入碳纳米管后,聚丙烯腈的预氧化温度有一定程度的提前,放热量明显降低,同时对聚合物的结晶度也有一定程度的影响。

Ag/AgCl复合纳米粒子/聚丙烯腈纳米纤维膜的制备及可见光催化降解甲基橙

通过电纺丝法结合原位还原及原位氧化反应,成功制备了均匀负载Ag/AgCl复合纳米粒子/聚丙烯腈(PAN)复合纳米纤维膜.首先利用电纺丝技术制备了PAN/AgNO3复合纳米纤维,然后用乙二醇将硝酸银还原成银纳米粒子,最后采用三氯化铁溶液对材料进行原位氧化.所得纤维膜材料可以作为高效的可见光催化剂,具有高可见光利用率、优异的柔性和高光催化动力学等特性.

含双(苯硫基)甲烷的聚丙烯腈静电纺纳米纤维的制备与测试

将双(苯硫基)甲烷加入聚丙烯腈纺丝液中,利用静电纺丝技术制得纳米纤维膜。通过对纤维的直径、纤维的形貌、热收缩性、耐酸碱行等测试筛选出较佳浓度,分析其结构变化。结果表明:双(苯硫基)甲烷的较佳用量为3wt%,其加入不改变纺丝液的表面张力和电导率。纺得的纤维直径较小,双(苯硫基)甲烷串珠能较好的镶嵌在聚丙烯腈纳米纤维上。纤维膜的耐热提升19%、耐酸碱性和离子电导率提高。

变色响应聚丙烯腈纳米纤维膜的制备及其过滤性能

采用静电纺丝制备刚果红-聚丙烯腈变色响应纳米纤维膜.通过电导率、变色响应、微观结构形貌、过滤及孔径等测试,分析不同质量分数的刚果红对纺丝性能、膜过滤性能的影响,并利用目视比色法,检测纳米纤维膜对HCl气体的变色响应情况.结果表明:纳米纤维膜的过滤性能不受刚果红质量分数的影响;当刚果红质量分数为0.5%时,聚丙烯腈纤维膜暴露在HCl气体中,5s内可明显由粉色变为蓝紫色;当纺丝时间为16 min时,纤维膜滤效为98.48%,滤阻为248.92Pa.

氧化石墨烯量子点/聚丙烯腈纳米纤维复合质子交换膜的制备及其性能

为提高全氟磺酸(Nafion)膜的质子传导率和尺寸稳定性,利用静电纺丝技术制备了氧化石墨烯量子点(GOQDs)/聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜,并通过Nafion溶液浸渍法制备了纳米纤维复合质子交换膜。借助扫描电子显微镜、共聚焦显微镜、热重分析仪和X射线衍射仪等对纳米纤维及复合膜的结构和性能进行表征。结果表明:GOQDs在PAN纳米纤维中均匀分布,GOQDs的加入减小了纳米纤维的直径;纳米纤维形成三维网络结构,对复合膜起到了骨架支撑作用,提高了复合膜的尺寸稳定性,同时提高了复合膜的热稳定性和吸水性;GOQDs质量分数的增加提高了复合膜的质子传导率,80℃时复合膜的质子传导率最高可达0.182 S/cm。

沉积静电纺聚丙烯腈纳米纤维膜窗纱的制备及其性能

为提升室内空气质量,采用纳米静电纺丝技术,在传统的玻璃纤维窗纱上沉积聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜,制备具有防PM_(2.5)作用的窗纱。探讨了PAN纺丝液质量分数、窗纱基材对纤维微观形貌的影响,考察了窗纱的透光性、透气性和防PM_(2.5)效果。结果表明:PAN纺丝液质量分数为10%,电压为20 kV,时间为0.5 h条件下,制备的纤维直径分布均匀,平均直径约为225 nm;PAN纳米纤维膜在窗纱纱棱处沉积较厚,而在窗纱空隙处沉积较薄,这种结构增加了纳米纤维膜与窗纱的连接力;PAN纳米纤维膜使窗纱透光率下降12%,透气率下降35%;随着过滤测试时间的增加,PM_(2.5)吸附效果显著,窗纱表面吸附物中含有机官能团,室内空气质量变好;测试2 h后,对PM_(2.5)的截留率达到63%,窗纱的透光性、透气性随PM_(2.5)吸附程度的增加而下降。

碳纳米管/聚丙烯腈基复合材料的热导率研究

采用原位聚合法制备了碳纳米管/聚丙烯腈(CNT/PAN)复合材料,用MDSC的测试方法研究了复合材料的热性能,并由此推导了复合材料的热导率。应用Cheng-Vachon、Nielsen-Lewis和Okamoto-Ishida3种导热理论模型对CNT/PAN复合材料的热导率进行估算。对比实验测试与导热理论模型的计算结果,考虑到碳纳米管在聚合物基体中的分散和取向情况,得出Nielsen-Lewis理论在低填充含量及室温条件下可以较准确地估算无规分散的CNT/PAN复合材料体系的热导率。

混合改性PAN纳米纤维铁配合物的吸附-催化双功能在有机染料去除中的应用

将静电纺丝法制备的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜用不同比例的盐酸羟胺和水合肼混合溶液改性,再与Fe3+离子进行配位反应,制备了5种不同表面结构的改性PAN纳米纤维铁配合物;考察了水合肼加入量对纤维铁配合物的制备及对偶氮染料活性红195去除能力的影响.结果表明,随着水合肼加入量的增大,改性PAN纳米纤维的直径减小且其铁配合物表面的铁离子配合量降低;3种混合改性PAN纳米纤维铁配合物均对活性红195具有优良的吸附和光催化降解功能,可通过2种功能之间的协同效应实现快速去除水溶液中染料分子的目的.

静电纺丝法制备碳掺杂TiO_2纳米纤维及其光降解性能研究

通过静电纺丝方法,以聚丙烯腈(PAN)为成纤材料、钛酸四丁酯为钛源,制备含钛纳米纤维前驱体,经高温煅烧得到碳掺杂的二氧化钛(TiO_2)纳米纤维。采用电子显微镜、傅里叶红外光谱、热重、X-射线衍射仪等对纳米纤维的表面形态、化学组成、晶相结构等物理化学性能进行研究,并研究其光降解染料甲基橙的催化能力。结果表明在550℃下焙烧1h后,TiO_2主要以锐钛矿晶型结构存在,PAN经高温碳化对TiO_2形成碳掺杂。光降解研究结果表明,100mg碳掺杂TiO_2纳米纤维膜光催化降解甲基橙的效率为0.0336mg/h。

PAN纳米纤维的改性及其对铜离子的吸附性能

通过静电纺技术制备了聚丙烯腈共聚物(PAN)纳米纤维,并利用乙二胺对其进行化学改性,研究胺化纳米纤维膜对铜离子的吸附性能.通过傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)对纳米纤维膜的形态及性能进行了表征,探讨了p H、反应时间、初始浓度等因素对铜离子吸附性能的影响.结果表明:吸附容量分别随p H、反应时间及铜离子初始浓度的增大而增大,当p H达到5,反应时间为3 h,浓度达到100 mg/L时,吸附容量达到平衡.Langmuir与二级动力学模型更符合吸附反应,最大吸附量可达54 mg/g,根据热力学参数分析,此吸附为吸热反应;在进行6次的脱附-吸附后,胺化聚丙烯腈共聚物纳米纤维膜对铜离子仍然具有良好的吸附效果.

静电纺PVDF/PAN共混纳米纤维膜对含油污水的过滤性能

制备不同共混比的静电纺聚偏氟乙烯/聚丙烯腈(PVDF/PAN)纳米纤维膜.应用扫描电子显微镜分析膜的表面形态,并测试共混纤维膜的亲水性、孔径及对自制乳化油污水的过滤效率.试验结果表明:随着PAN共混比例的增加,共混膜的纤维直径减小;共混膜的水接触角随PAN共混比例的增加呈明显下降趋势,下降幅度为30°,亲水性改善效果明显;共混膜的平均孔径为0.784~2.070μm;测得共混膜的纯水通量为4 019~5 340L/(m^2·h),约是PVDF商品超滤膜的30倍;共混膜对乳化油的截留率最高达到95.31%,稍小于PVDF商品超滤膜的97%.

引发体系对细乳液聚合制备PAN纳米粒子的影响

为制备出规则球形的聚丙烯腈(PAN)纳米粒子,探究水溶性较大的单体的细乳液聚合机理,分别采用过硫酸钾(KPS)、偶氮二异丁腈(AIBN)和双氧水/L-抗坏血酸(H2O2/LAA)氧化还原引发剂进行丙烯腈(AN)的细乳液聚合。通过乳液外观的变化比较了三种引发剂对聚合过程的影响,对比了三种PAN纳米粒子的形态、粒径和结晶情况。结果发现;采用热引发剂时,由于AN的水溶性增大,单体扩散明显,所制备出的PAN纳米粒子为不规则颗粒;而采用氧化还原引发剂能够获得规则球形的PAN纳米粒子。说明了水溶性较大的单体进行细乳液聚合时,温度是影响液滴成核主导地位的关键因素;均相成核是造成PAN颗粒表面结晶进而导致PAN粒子形状不规则的主要原因。

PAN/SWCNTs复合纳米纤维纱线的制备及其性能

采用改进的静电纺丝装置,分别制备了纯聚丙烯腈(PAN)纳米纤维纱线和不同单壁碳纳米管(SWCNTs)质量分数的PAN/SWCNTs复合纳米纤维纱线.利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外-拉曼光谱仪和X射线多晶衍射仪分别对复合纳米纤维纱线进行了形貌和直径表征、分子结构分析、结晶结构分析,并测试了不同SWCNTs质量分数对复合纳米纤维纱线力学性能的影响.结果表明:不同SWCNTs质量分数的PAN/SWCNTs复合纳米纤维纱线均具有良好的形态且沿着纱线轴向有序排列;随着SWCNTs质量分数的增加,纱线和纤维的直径均呈现减小的趋势,并且纤维中的串珠增多;碳纳米管沿纤维轴向均匀分布;碳纳米管的加入没有产生新的特征峰,但PAN的峰值有所减弱或增强;碳纳米管的加入改变了PAN的结晶性能;当SWCNTs质量分数为5%时,复合纳米纤维纱线的拉伸强度达到最高值为24.25 MPa.

ZIF-8@PAN纳米纤维膜基多孔碳材料的制备及对镉离子的吸附性能

主要将通过磁控溅射技术制备所得的氧化锌@聚丙烯腈(ZnO@PAN)静电纺丝纳米纤维膜材料,利用溶剂热反应合成金属有机框架材料ZIF-8@聚丙烯腈(ZIF-8@PAN)纳米纤维膜材料,后经过900℃高温煅烧工序制备ZIF-8@PAN纳米纤维膜基多孔碳材料,并将其应用于水体中重金属离子镉的吸附。X射线衍射、红外光谱、扫描电镜分析表征结果表明,ZIF-8成功地在PAN纳米纤维膜上原位生长,经过高温煅烧,ZIF-8的结构并未明显改变。ZIF-8@PAN纳米纤维膜基多孔碳材料在水溶液中对镉离子具有良好的吸附效果。探究证明,吸附过程中,在溶液为中性条件下,且水浴加热35℃时,镉离子吸附效果最好,吸附效率最高可达到88%左右。