CN104916448B - 一种层次结构微纳多孔纤维电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维状电极材料制备方法，属于电极材料制备技术。本发明是以非导电的织物纤维为柔性基材，在基材上缠绕、沉积直径从纳米到亚微米尺寸的多种纤维，得到复合纤维基材。再在复合纤维基材上聚合沉积导电高分子，获得导电纤维电极材料。本发明制备方法简单，条件易控，原料成本低，能量消耗少，适用于大规模工业生产。采用本发明的制备方法得到的复合纤维电极不仅具有高比表面积，能增加电极/电解质的接触面积，增大其活性区域、降低离子扩散迁移的距离，而且具有高导电性以及优良的力学性能，具有质轻、结构简单、柔性好、充放电速度快、安全性高的特点。可用于编织电极材料以及可穿着电子服装。

Description

一种层次结构微纳多孔纤维电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种层次结构微纳多孔纤维电极材料及其制备方法，属于电极材料制备技术。
背景技术
化石能源枯竭、环境污染加剧，如今年来我国多地长期出现大范围的雾霾天气，环保专家一致认为机动车尾气作为PM2.5的一大制造者是空气严重污染的祸源，人们对环境友好型的高效储能器件的发明利用日益重视。超级电容器是近十年来发展起来的一种环境友好的新型储能元件，在众多领域有着广泛的应用。电极材料是超级电容器的和新材料，是超级电容器研究中最核心的课题。
柔性电极材料在智能服装、可穿着显示器、新型便携式电源、嵌入式健康监测与护理等领域有广泛的应用前景。Nyholm等人在比表面积为80m2/g的海藻纤维素纳米纤维上原位聚合的PPy膜厚度仅50nm，以2.0MNaCl为电解液在电流密度为20mA/cm2时充电容量为50mAh/g，100次循环后比容量仅下降6%。Laforgue等人将由静电纺丝法制备的聚3,4-乙撑二氧噻吩（PEDOT）纳米纤维毡作为织物形态超级电容器的电极材料，使用聚合物电解质、在扫描速度为10mV/s时比容量可达30mAh/g，在10000次循环之后还能保持90%的电容量。但是循环稳定性，导电性和和柔韧性依旧不能满足人们的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种层次结构微纳多孔纤维电极材料的制备方法，为了实现上述目的，本发明的解决方案为：
一种层次结构微纳多孔纤维电极材料及其制备方法，所述的层次结构微纳米多孔纤维电极材料由棉线、聚乳酸电纺纤维、细菌纤维素纳米纤维和导电高分子构成，聚乳酸纤维和细菌纤维素纳米纤维杂乱交织在棉线的表面，在棉线、聚乳酸纤维和细菌纤维素纳米纤维上附着具有导电高分子。
所述的聚乳酸分子量为100000。
所述的细菌纤维素纳米纤维3的直径为50-100纳米。
所述的导电高分子是聚吡咯或聚苯胺或聚噻吩其中的一种。
一种层次结构微纳米多孔纤维电极材料的制备方法，按以下步骤进行：
a复合织物纤维的预处理
将聚乳酸颗粒置于溶剂中，在磁力搅拌机作用下充分溶解，得到浓度为5wt%~15wt%的均匀的聚乳酸溶液；将聚乳酸纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/h，电压范围为5kv~15kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm；将织物纤维放到喷丝头和接收屏之间，使聚乳酸纤维充分缠绕在棉线表面，得到复合织物纤维。
其中，所述的溶剂由三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配置而成。
其中，所述的聚乳酸分子量为100000。
用蒸馏水浸泡细菌纤维素膜3h，使用高速分散机打碎细菌纤维素膜，得到细菌纤维素纳米纤维悬浮液，将上步得到的纤维浸入细菌纤维素膜悬浮液中，细菌纤维素纳米纤维和复合织物纤维杂乱交织，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维。
b导电高分子层的制备：
在室温条件下，将氧化剂与去离子水配制成浓度为0.1mol/L~0.5mol/L的氧化引发溶液。
其中，氧化剂为三氯化铁或过硫酸铵的一种。
将聚合物单体、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和去离子水配成单体混合溶液，备用。
其中，聚合物单体的浓度为0.2mol/L~1.0mol/L，掺杂剂浓度为0.01mol/L~1.0mol/L，表面活性剂浓度为0.001mol/L~0.01mol/L，聚合物单体为吡咯或苯胺或噻吩的一种，掺杂剂为盐酸，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，十二烷基苯磺酸钠。
将多层复合纤维放入单体，阴、阳离子表面活性剂，单体的混合溶液中，磁力搅拌冰水浴1h，再逐滴加入氧化引发溶液，并持续搅拌在冰水浴反应2h；取出复合纤维，用无水乙醇，去离子水分别清洗，放入掺杂剂中浸泡0.5h，取出用去离子水洗净，在60℃的温度下干燥1h，得到层次结构微纳米多孔纤维。
由于采用以上技术方案，本发明采用以棉线为基材，再缠绕微米和纳米级别的超细纤维，再在超细纤维上沉积导电高分子得到层次结构微纳多孔纤维电极材料，制备方法简单，条件易控，原料成本低，能量消耗少，适用于大规模工业生产。获得的纤维电极材料不仅质轻、结构简单、具有极好的柔性，而且比容量高，生物相容性好，可以运用到可穿着电子设备的生产中。
附图说明
附图为本发明的层次结构微纳多孔纤维电极材料示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种层次结构微纳多孔纤维电极材料及其制备方法做进一步描述，见附图。
一种层次结构微纳多孔纤维电极材料，包括棉线1，聚乳酸纤维2，细菌纤维素纳米纤维3，导电高分子4，所述的层次结构微纳米多孔纤维电极材料由棉线1、聚乳酸电纺纤维2、细菌纤维素纳米纤维3和导电高分子4构成，聚乳酸纤维2和细菌纤维素纳米纤维3杂乱交织在棉线1的表面，在棉线1、聚乳酸纤维2和细菌纤维素纳米纤维3上附着具有导电高分子4。
所述的聚乳酸分子量为100000。
所述的细菌纤维素纳米纤维3直径为50-100纳米。
所述的导电高分子4是聚吡咯或聚苯胺或聚噻吩其中的一种。
一种层次结构微纳多孔纤维电极材料，所述制备方法按以下步骤进行：
a复合织物纤维的预处理
将聚乳酸颗粒置于溶剂中，在磁力搅拌机作用下充分溶解，得到浓度为5wt%~15wt%的均匀的聚乳酸溶液；将聚乳酸纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/h，电压范围为5kv~15kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm；将棉线1放到喷丝头和接收屏之间，使聚乳酸纤维2充分缠绕在棉线1表面，得到复合织物纤维。
其中，所述的溶剂是三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配置而成。
其中，所述的聚乳酸分子量为100000。
用蒸馏水浸泡细菌纤维素膜3h，使用高速分散机打碎细菌纤维素膜，得到细菌纤维素纳米纤维3悬浮液，将上步得到的纤维浸入细菌纤维素膜悬浮液中，细菌纤维素纳米纤维3和复合织物纤维杂乱交织，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维。
b导电高分子层4的制备：
在室温条件下，将氧化剂与去离子水配制成浓度为0.1mol/L~0.5mol/L的氧化引发溶液。
其中，氧化剂为三氯化铁或过硫酸铵的一种。
将聚合物单体、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和去离子水配成单体混合溶液，备用。
其中，聚合物单体的浓度为0.2mol/L~1.0mol/L，掺杂剂浓度为0.01mol/L~1.0mol/L，表面活性剂浓度为0.001mol/L~0.01mol/L，聚合物单体为吡咯或苯胺或噻吩的一种，掺杂剂为盐酸，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，十二烷基苯磺酸钠。
将多孔纤维放入单体，阴、阳离子表面活性剂，单体的混合溶液中，磁力搅拌冰水浴1h，再逐滴加入氧化引发溶液，并持续搅拌在冰水浴反应2h；取出复合纤维，用无水乙醇，去离子水分别清洗，放入掺杂剂中浸泡0.5h，取出用去离子水洗净，在60℃的温度下干燥1h，得到层次结构微纳米多孔纤维。
具体实施例
实施例一
按上述制备方法，将平均分子量为100000的聚乳酸颗粒置于三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配成的溶剂中，使用磁力搅拌机使其充分溶解，得到5wt%的聚乳酸溶液，将聚乳酸纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/h，电压为5kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，将棉线放到接收屏和喷丝头之间，使聚乳酸纤维充分缠绕在棉线上，形成聚乳酸纤维层。
用蒸馏水浸泡细菌纤维素膜3h，用高速分散机将浸泡好的细菌纤维素膜打碎，得到细菌纤维素膜纳米纤维悬浮液，将上步得到的复合织物纤维浸入细菌纤维素膜悬浮液中，直径为50纳米的细菌纤维素纳米纤维和上步骤处理得到的复合织物纤维杂乱交织在一起，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维。
配置0.1mol/L的三氯化铁溶液100ml，配置0.1mol/L的盐酸溶液，将处理后的棉线浸泡在100ml的0.001mol/L的十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵和0.1mol/L的吡咯单体混合液中搅拌冰水浴1h，然后缓慢滴加三氯化铁溶液，再冰水浴2h，取出产物，用乙醇和水分别清洗，再放入0.1mol/L的盐酸中浸泡0.5h，取出后放到60℃条件下烘干，得到纤维电极材料。
实施例二
按上述制备方法，将平均分子量为100000的聚乳酸颗粒混合于三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配成的溶剂中，使用磁力搅拌机搅拌3h使其充分溶解，得到10wt%的聚乳酸溶液，将自然冷却的聚乳酸纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/h，电压为6kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，将棉线放到接收屏和喷丝头之间，使聚乳酸纤维充分缠绕在棉线上，形成聚乳酸纤维层。
用蒸馏水浸泡细菌纤维素膜3h，用高速分散机将浸泡好的细菌纤维素膜打碎，得到细菌纤维素膜纳米纤维悬浮液，将上步得到的复合织物纤维浸入细菌纤维素膜悬浮液中，直径为70纳米的细菌纤维素纳米纤维和上步骤处理得到的复合织物纤维杂乱交织在一起，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维。
配置0.5mol/L的三氯化铁溶液100ml，配置0.3mol/L的盐酸溶液，将处理后的棉线浸泡在100ml的0.003mol/L的十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵和0.4mol/L的吡咯单体混合液中搅拌冰水浴1h，然后缓慢滴加三氯化铁溶液，再冰水浴2h，取出产物，用乙醇和水分别清洗，再放入1.0mol/L的盐酸中浸泡0.5h，取出后放到60℃条件下烘干，得到纤维电极材料。
实施例三
按上述制备方法，将平均分子量为100000的聚乳酸颗粒混合于三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配成的溶剂中，使用磁力搅拌机搅拌3h使其充分溶解，得到10wt%的聚乳酸溶液，将自然冷却的聚乳酸纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/h，电压为9kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，将棉线放到接收屏和喷丝头之间，使聚乳酸纤维充分缠绕在棉线上，形成聚乳酸纤维层。
用蒸馏水浸泡细菌纤维素膜3h，用高速分散机将浸泡好的细菌纤维素膜打碎，得到细菌纤维素膜纳米纤维悬浮液，将上步得到的复合织物纤维浸入细菌纤维素膜悬浮液中，直径为100纳米的细菌纤维素纳米纤维和上步骤处理得到的复合织物纤维杂乱交织在一起，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维。
配置0.3mol/L的过硫酸铵溶液100ml，配置0.5mol/L的盐酸溶液，将处理后的棉线浸泡在100ml的0.001mol/L的十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵和0.7mol/L的吡咯单体混合液中搅拌冰水浴1h，然后缓慢滴加过硫酸铵溶液，再冰水浴2h，取出产物，用乙醇和水分别清洗，再放入0.5mol/L的盐酸中浸泡0.5h，取出后放到60℃条件下烘干，得到纤维电极材料。
实施例四
按上述制备方法，将平均分子量为100000的聚乳酸颗粒混合于三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配成的溶剂中，使用磁力搅拌机搅拌3h使其充分溶解，得到5wt%的聚乳酸溶液，将自然冷却的聚乳酸纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/h，电压为12kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，将棉线放到接收屏和喷丝头之间，使聚乳酸纤维充分缠绕在棉线上，形成聚乳酸纤维层。
用蒸馏水浸泡细菌纤维素膜3h，用高速分散机将浸泡好的细菌纤维素膜打碎，得到细菌纤维素膜纳米纤维悬浮液，将上步得到的复合织物纤维浸入细菌纤维素膜悬浮液中，直径为70纳米的细菌纤维素纳米纤维和上步骤处理得到的复合织物纤维杂乱交织在一起，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维。
配置0.5mol/L的过硫酸铵溶液100ml，配置0.5mol/L的盐酸溶液，将处理后的棉线浸泡在100ml的0.01mol/L的十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵和1mol/L的吡咯单体混合液中搅拌冰水浴1h，然后缓慢滴加过硫酸铵溶液，再冰水浴2h，取出产物，用乙醇和水分别清洗，再放入0.5mol/L的盐酸中浸泡0.5h，取出后放到60℃条件下烘干，得到纤维电极材料。
实施例五
按上述制备方法，将平均分子量为100000的聚乳酸颗粒混合于三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配成的溶剂中，使用磁力搅拌机搅拌3h使其充分溶解，得到15wt%的聚乳酸溶液，将自然冷却的聚乳酸纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/h，电压为15kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，将棉线放到接收屏和喷丝头之间，使聚乳酸纤维充分缠绕在棉线上，形成聚乳酸纤维层。
用蒸馏水浸泡细菌纤维素膜3h，用高速分散机将浸泡好的细菌纤维素膜打碎，得到细菌纤维素膜纳米纤维悬浮液，将上步得到的复合织物纤维浸入细菌纤维素膜悬浮液中，直径为70纳米的细菌纤维素纳米纤维和上步骤处理得到的复合织物纤维杂乱交织在一起，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维。
配置0.4mol/L的三氯化铁溶液100ml，配置0.5mol/L的盐酸溶液，将处理后的棉线浸泡在100ml的0.01mol/L的十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵和1mol/L的吡咯单体混合液中搅拌冰水浴1h，然后缓慢滴加三氯化铁溶液，再冰水浴2h，取出产物，用乙醇和水分别清洗，再放入0.5mol/L的盐酸中浸泡0.5h，取出后放到60℃条件下烘干，得到纤维电极材料。
实施例六
按上述制备方法，将平均分子量为100000的聚乳酸颗粒混合于三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配成的溶剂中，使用磁力搅拌机搅拌3h使其充分溶解，得到15wt%的聚乳酸溶液，将自然冷却的聚乳酸纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/h，电压为15kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，将棉线放到接收屏和喷丝头之间，使聚乳酸纤维充分缠绕在棉线上，形成聚乳酸纤维层。c
用蒸馏水浸泡细菌纤维素膜3h，用高速分散机将浸泡好的细菌纤维素膜打碎，得到细菌纤维素膜纳米纤维悬浮液，将上步得到的复合织物纤维浸入细菌纤维素膜悬浮液中，直径为70纳米的细菌纤维素纳米纤维和上步骤处理得到的复合织物纤维杂乱交织在一起，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维。
配置0.5mol/L的过硫酸铵溶液100ml，配置0.5mol/L的盐酸溶液，将处理后的棉线浸泡在100ml的0.01mol/L的十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵和1mol/L的噻吩单体混合液中搅拌冰水浴1h，然后缓慢滴加过硫酸铵溶液，再冰水浴2h，取出产物，用乙醇和水分别清洗，再放入0.5mol/L的盐酸中浸泡0.5h，取出后放到60℃条件下烘干，得到纤维电极。
实施例七
按上述制备方法，将平均分子量为100000的聚乳酸颗粒混合于三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配成的溶剂中，使用磁力搅拌机搅拌3h使其充分溶解，得到9wt%的聚乳酸溶液，将自然冷却的聚乳酸纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/h，电压为12kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，将棉线放到接收屏和喷丝头之间，使聚乳酸纤维充分缠绕在棉线上，形成聚乳酸纤维层。
用蒸馏水浸泡细菌纤维素膜3h，用高速分散机将浸泡好的细菌纤维素膜打碎，得到细菌纤维素膜纳米纤维悬浮液，将上步得到的复合织物纤维浸入细菌纤维素膜悬浮液中，直径为70纳米的细菌纤维素纳米纤维和上步骤处理得到的复合织物纤维杂乱交织在一起，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维。
配置0.5mol/L的三氯化铁溶液100ml，配置0.5mol/L的盐酸溶液，将处理后的棉线浸泡在100ml的0.01mol/L的十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵和1mol/L的苯胺单体混合液中搅拌冰水浴1h，然后缓慢滴加三氯化铁溶液，再冰水浴2h，取出产物，用乙醇和水分别清洗，再放入0.5mol/L的盐酸中浸泡0.5h，取出后放到60℃条件下烘干，得到纤维电极。

Claims (7)

1.一种层次结构微纳米多孔纤维电极材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法按以下步骤进行：
a复合织物纤维的预处理
将聚乳酸颗粒置于溶剂中，在磁力搅拌机作用下充分溶解，得到浓度为5wt％～15wt％的均匀聚乳酸溶液，将聚乳酸溶液吸入静电纺专用注射器桶内，开始纺丝，纺丝温度为室温，纺丝输出液流量为0.5ml/h，电压范围为5kv～15kv，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，将棉线(1)置于喷丝头和接收屏之间，使聚乳酸电纺纤维(2)充分缠绕在棉线(1)表面，得到复合织物纤维；
将细菌纤维素膜放入水中浸泡3h，用高速分散机将浸泡好的细菌纤维素膜打碎，再将上步骤处理得到的复合织物纤维浸入细菌纤维素悬浮液中，细菌纤维素纳米纤维(3)和复合织物纤维杂乱交织，形成孔隙率良好的具有层次结构的多孔纤维；
b导电高分子的制备：
在室温条件下，将氧化剂与去离子水配制成浓度为0.1mol/L～0.5mol/L的氧化引发溶液；
将聚合物单体、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂按照浓度比为100:1:1和去离子水配成单体混合溶液，备用；
将多孔纤维放入单体混合溶液中，磁力搅拌冰水浴1h，再逐滴加入氧化引发溶液，持续搅拌冰水浴反应2h后取出，用无水乙醇、去离子水分别清洗多孔纤维，盐酸中静置0.5h，取出洗净，在60℃的条件下干燥1h，得到层次结构微纳米多孔纤维。
2.如权利要求1所述的一种层次结构微纳米多孔纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述的聚乳酸电纺纤维(2)分子量为100000。
3.如权利要求1所述的一种层次结构微纳米多孔纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述的细菌纤维素纳米纤维(3)的直径为50-100纳米。
4.如权利要求1所述的一种层次结构微纳米多孔纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述的溶剂由三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺按体积比为3:2配置而成。
5.如权利要求1所述的一种层次结构微纳米多孔纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述的氧化剂是三氯化铁或过硫酸铵的一种。
6.如权利要求1所述的一种层次结构微纳米多孔纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述的聚合物单体为吡咯单体或苯胺单体或噻吩单体的一种。
7.如权利要求1所述的一种层次结构微纳米多孔纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述的盐酸浓度为0.1mol/L～1.0mol/L。
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