一種用於超級電容器的新型雜化纖維炭紙的製備方法與流程
2023-12-12 18:43:47 2
本發明涉及雜化炭纖維技術領域，特別涉及一種用於超級電容器的新型雜化纖維炭紙的製備方法。
背景技術：
炭纖維具有孔隙結構發達、熱力學性能穩定、價廉且易實現產業化等優勢，被廣泛應用於超級電容器的研究，以此來應對日益嚴峻的能源和環境問題。但是由於木材結構比較複雜，傳統技術難以實現木質基炭材料形貌和孔結構的可控制備，影響其在超級電容器中的應用。
通過造紙手段將木材無定形微觀結構轉化為纖維結構，並結合雜化技術控制炭材料的結構和組成等特徵，以此提高炭材料的導電性，潤溼性和活性位點，進而增強超級電容器的比電容，倍率性能和穩定性，製備出具有高能量密度和功率密度的碳基超級電容器。因此，對木材基纖維紙進行簡單高效的金屬化合物的摻雜可以優化其性能，提高材料表面活性位點從而進一步實現高能量密度和高功率密度的超級電容器的製備。
造紙作為中國具有悠久的歷史以及傳統的工藝，在國民經濟中具有一定的地位和作用，得到的紙張具有吸附能力強，柔韌性可控等優點；同時可以通過造紙工藝將木材這一無定形的微觀結構轉換為微觀纖維狀結構。同時，造紙工藝成本較低，效率很高，在很多應用方面表現出更優異的性能，已成為一種成熟傳統的商業工藝。此外，化學鍍方法，僅需浸漬的方式就可將金屬氧化物及金屬負載在纖維紙張上，進一步通過簡單的煅燒方法形成雜化纖維炭紙材料，此方法簡單，高效，具有重要的現實意義和應用價值。
歐洲專利（ep1009048）介紹了一種用於燃料電池的炭纖維紙的製備方法。主要是通過混合具有導電結構的石墨結構製備炭纖維紙，並應用於燃料電池。此方法要求的製備條件相對比較複雜，且混合會導致導電不均勻，具有一定的應用局限性。
韓國專利（kr20140092154）介紹了一種沉積pan纖維的方法製備炭纖維，涉及到炭纖維領域。通過將pan纖維進行沉析方法形成炭纖維紙，孔隙度大，提高了紙張增強性，且提高了紙張的彈性係數。此方法具有重要的研究意義，相對製備條件複雜，成本較高，可控性較差。
日本專利（wo2003087470）介紹了一種炭纖維與多孔炭相結合的方法製備燃料電池。此方法設計到結合反應，通過製備二次混合結合提高燃料電池性能。燃料電池的性能效果好，但耗用成本較高，且會混合不均勻，需開發一種成本低，混合均勻且高效的方法。
公開號cn102146641a的中國專利介紹了碳納米管植入法改性炭纖維紙的製造工藝。通過先分散製備好的或商業化的碳納米管，用酚醛樹脂溶液作粘接劑，把分散好的碳納米管均勻地塗覆在用傳統方法製備的炭紙表面，碳納米管就會被粘接到炭紙上，因為具有「釘扎作用」碳納米管會垂直於附著的炭紙表面，再炭化；最後還可以用化學氣相沉積的方法，通過沉積熱解炭把碳納米管牢固地固定在炭紙的表面。該發明專利可以大面積地、批量化地在炭紙表面植入碳納米管，該方法不僅成本低，操作簡單，而且可以顯著地增加碳納米管在炭紙表面的附著力，使得碳納米管不易剝落，而且不會帶入其它不利的元素。但是此方法需要塗覆、粘接再炭化的方式，使其不可控因素太多，有待於工藝簡單化。
公開號為cn1598141的中國專利介紹了一種炭纖維紙及其製法。採用將分散劑、一次粘結劑、炭纖維絲混合物放入水中，打漿形成懸浮液，用常規溼法抄紙技術將懸浮液進行抄紙，將成型紙在二次粘結劑溶液中浸漬，浸漬後的碳紙在乾燥，炭化。該發明專利具有製備工藝簡單、電阻率低、強度高、可實現工業化生產的優點。此方法製備過程簡單、可循環使用。然而對炭纖維的分散性與紙張的結合性以及比表面積等方法的突破仍有待於研究。
公開號cn1598142的中國專利介紹了一種炭纖維紙及其製備方法。此方法採用將分散劑、纖維素漿、炭纖維絲混合物打漿形成懸浮液，用常規溼法抄紙技術將懸浮液進行抄紙，將紙在無機催化劑溶液中浸漬，再在粘結劑溶液中浸漬,浸漬後的紙乾燥，炭化。該發明專利具有電阻率低、導電率高、強度高、製備方法簡單的優點。此方法操作簡單，周期短，合成效率高，重複性好，且對環境綠色無汙染，應用在燃料電池催化劑，導電材料領域。然而，其合成效率較低，重複性一般，需要考慮結合度等因素。
綜上所述，選用常見的木質生物質為前驅體通過成熟的轉化技術、簡單的雜化方法，精確的煅燒工藝製備新型雜化纖維炭紙張，且用於超級電容器的初步研究，簡單製備工藝，省時節能、高效易產業化備受關注。基於此，本發明提出了一種用於超級電容器的新型雜化纖維炭紙的製備方法，選用常見的木材為前驅體，通過抄紙技術、化學鍍浸漬，煅燒工藝製備，簡單，高效的製備出用於超級電容器的新型雜化纖維炭紙的製備方法。
技術實現要素：
本發明為了彌補現有技術的缺陷，提供了一種使用方便，靈活，高效的用於超級電容器的新型雜化纖維炭紙的製備方法。
本發明是通過如下技術方案實現的：
一種用於超級電容器的新型雜化纖維炭紙的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：
（1）以木材為前驅體，通過造紙工藝，木材經蒸煮形成漿料；
（2）漿料經洗滌、篩選、打漿形成紙漿，然後經抄片機抄紙過程形成纖維紙張；
（3）將纖維紙張浸漬在化學鍍ni溶液中，完成金屬負載反應後乾燥，得到雜化纖維紙張；
（4）在氮氣保護下，將得到的雜化纖維紙張高溫煅燒，形成新型雜化纖維炭紙材料；得到的新型雜化纖維炭紙材料具有一定的導電性能及電化學穩定性，可以應用於超級電容器領域。
所述步驟（1）中，以針葉或者落葉松為前驅體，採用傳統的造紙工藝，木屑用12%~18%氫氧化鈉溶液，在150~180℃蒸煮2~4h形成漿料。
所述步驟（2）中，先將漿料用清水洗滌至ph=7，然後用篩漿機除去未成漿的固體木渣，並通過打漿完成細纖維化過程，打漿度為20~60°sr，抄片機抄紙過程的成紙定量為30g/m2~120g/m2。
所述步驟（3）中，化學鍍ni溶液由niso4，亞氨基二乙酸，naoh溶液，n2h4和去離子水組成；纖維紙張浸漬在化學鍍ni溶液中，於60℃~80℃下反應1h，然後在80~100℃溫度下乾燥得到雜化纖維紙張。
所述化學鍍ni溶液由100~200mgniso4，100~200mg亞氨基二乙酸，100~200μl質量分數為32%的naoh溶液，400~600μln2h4，10~20ml去離子水組成。
所述步驟（4）中，雜化纖維紙張在氮氣保護下，700~900℃高溫煅燒2h後形成新型雜化纖維炭紙材料。
本發明的有益效果是：該用於超級電容器的新型雜化纖維炭紙的製備方法，以木材為原料，原料豐富，節能降耗；通過抄紙工藝使其結構形成纖維狀，再經簡單的化學鍍和炭化方法，高效的形成穩定的雜化炭纖維紙，拓寬了生物質能源形貌可控的研究、生物質基炭材料的製備以及超級電容器的應用領域。
附圖說明
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
附圖1為本發明新型雜化纖維炭紙基超級電容器的循環伏安曲線圖。
具體實施方式
為了使本發明所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖和實施例，對本發明進行詳細的說明。應當說明的是，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
該用於超級電容器的新型雜化纖維炭紙的製備方法，包括以下步驟：
（1）以木材為前驅體，通過造紙工藝，木材經蒸煮形成漿料；
（2）漿料經洗滌、篩選、打漿形成紙漿，然後經抄片機抄紙過程形成纖維紙張；
（3）將纖維紙張浸漬在化學鍍ni溶液中，完成金屬負載反應後乾燥，得到雜化纖維紙張；
（4）在氮氣保護下，將得到的雜化纖維紙張高溫煅燒，形成新型雜化纖維炭紙材料；得到的新型雜化纖維炭紙材料具有一定的導電性能及電化學穩定性，可以應用於超級電容器領域。
所述步驟（1）中，以針葉或者落葉松為前驅體，採用傳統的造紙工藝，木屑用12%~18%氫氧化鈉溶液，在150~180℃蒸煮2~4h形成漿料。
所述步驟（2）中，先將漿料用清水洗滌至ph=7，然後用篩漿機除去未成漿的固體木渣，並通過打漿完成細纖維化過程，打漿度為20~60°sr，抄片機抄紙過程的成紙定量為30g/m2~120g/m2。
所述步驟（3）中，化學鍍ni溶液由niso4，亞氨基二乙酸，naoh溶液，n2h4和去離子水組成；纖維紙張浸漬在化學鍍ni溶液中，於60℃~80℃下反應1h，然後在80~100℃溫度下乾燥得到雜化纖維紙張。
所述化學鍍ni溶液由100~200mgniso4，100~200mg亞氨基二乙酸，100~200μl質量分數為32%的naoh溶液，400~600μln2h4，10~20ml去離子水組成。
所述步驟（4）中，雜化纖維紙張在氮氣保護下，700~900℃高溫煅燒2h後形成新型雜化纖維炭紙材料。
實施例1：
選用落葉松為前驅體，木屑用質量分數為12%的氫氧化鈉溶液，在180℃蒸煮4h形成漿料，再經去離子水洗滌至ph=7、篩漿機篩選、打漿形成紙漿，打漿度為60°sr，最後經經抄片機抄紙過程形成紙張，成紙定量為120g/m2。將纖維紙張浸漬在化學鍍ni溶液（100mgniso4，100mg亞氨基二乙酸，200μl32%濃度的naoh溶液，500μln2h4，10ml去離子水）中完成金屬負載，80℃反應1h。經100℃乾燥後，得到雜化纖維紙張，再在氮氣保護下，700℃煅燒溫度下煅燒2h後形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應用於超級電容器。
實施例2：
選用落葉松為前驅體，木屑用質量分數為15%的氫氧化鈉溶液，在160℃蒸煮3h形成漿料，再經去離子水洗滌至ph=7、篩漿機篩選、打漿形成紙漿，打漿度為50°sr，最後經經抄片機抄紙過程形成紙張，成紙定量為100g/m2。將纖維紙張浸漬在化學鍍ni溶液（150mgniso4，150mg亞氨基二乙酸，200μl32%濃度的naoh溶液，600μln2h4，20ml去離子水）中完成金屬負載，80℃反應1h。經90℃乾燥後，得到雜化纖維紙張，再在氮氣保護下，700℃煅燒溫度下煅燒2h後形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應用於超級電容器。
實施例3：
選用落葉松為前驅體，木屑用質量分數為18%的氫氧化鈉溶液，在150℃蒸煮2h形成漿料，再經去離子水洗滌至ph=7、篩漿機篩選、打漿形成紙漿，打漿度為20°sr，最後經經抄片機抄紙過程形成紙張，成紙定量為80g/m2。將纖維紙張浸漬在化學鍍ni溶液（200mgniso4，150mg亞氨基二乙酸，200μl32%濃度的naoh溶液，600μln2h4，20ml去離子水）中完成金屬負載，80℃反應1h。經85℃乾燥後，得到雜化纖維紙張，再在氮氣保護下，800℃煅燒溫度下煅燒2h後形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應用於超級電容器。
實施例4：
選用落葉松為前驅體，木屑用質量分數為16%的氫氧化鈉溶液，在170℃蒸煮4h形成漿料，再經去離子水洗滌至ph=7、篩漿機篩選、打漿形成紙漿，打漿度為40°sr，最後經經抄片機抄紙過程形成紙張，成紙定量為30g/m2。將纖維紙張浸漬在化學鍍ni溶液（100mgniso4，150mg亞氨基二乙酸，100μl32%濃度的naoh溶液，400μln2h4，10ml去離子水）中完成金屬負載，60℃反應1h。經100℃乾燥後，得到雜化纖維紙張，再在氮氣保護下，800℃煅燒溫度下煅燒2h後形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應用於超級電容器。
實施例5：
選用針葉為前驅體，木屑用質量分數為14%的氫氧化鈉溶液，在165℃蒸煮3.5h形成漿料，再經去離子水洗滌至ph=7、篩漿機篩選、打漿形成紙漿，打漿度為30°sr，最後經經抄片機抄紙過程形成紙張，成紙定量為50g/m2。將纖維紙張浸漬在化學鍍ni溶液（200mgniso4，200mg亞氨基二乙酸，100μl32%濃度的naoh溶液，600μln2h4，20ml去離子水）中完成金屬負載，70℃反應1h。經95℃乾燥後，得到雜化纖維紙張，再在氮氣保護下，900℃煅燒溫度下煅燒2h後形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應用於超級電容器。