一種層次結構微納多孔纖維電極材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種層次結構微納多孔纖維電極材料及其制備方法，屬于電極材料制備技術。
【背景技術】
[0002]化石能源枯竭、環境污染加劇，如今年來我國多地長期出現大范圍的霧霾天氣，環保專家一致認為機動車尾氣作為PM2.5的一大制造者是空氣嚴重污染的禍源，人們對環境友好型的高效儲能器件的發明利用日益重視。超級電容器是近十年來發展起來的一種環境友好的新型儲能元件，在眾多領域有著廣泛的應用。電極材料是超級電容器的和新材料，是超級電容器研宄中最核心的課題。
[0003]柔性電極材料在智能服裝、可穿著顯示器、新型便攜式電源、嵌入式健康監測與護理等領域有廣泛的應用前景。NyhoIm等人在比表面積為80m2/g的海藻纖維素納米纖維上原位聚合的PPy膜厚度僅50nm，以2.0MNaCl為電解液在電流密度為20mA/cm2時充電容量為50mAh/g，100次循環后比容量僅下降6%。Laforgue等人將由靜電紡絲法制備的聚3，4-乙撐二氧噻吩(PEDOT)納米纖維氈作為織物形態超級電容器的電極材料，使用聚合物電解質、在掃描速度為10mV/s時比容量可達30mAh/g，在10000次循環之后還能保持90%的電容量。但是循環穩定性，導電性和和柔韌性依舊不能滿足人們的需求。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明的目的是提供了一種層次結構微納多孔纖維電極材料的制備方法，為了實現上述目的，本發明的解決方案為:
一種層次結構微納多孔纖維電極材料及其制備方法，所述的層次結構微納米多孔纖維電極材料由棉線、聚乳酸電紡纖維、細菌纖維素納米纖維和導電高分子構成，聚乳酸纖維和細菌纖維素納米纖維雜亂交織在棉線的表面，在棉線、聚乳酸纖維和細菌纖維素納米纖維上附著具有導電高分子。
[0005]所述的聚乳酸分子量為100000。
[0006]所述的細菌纖維素納米纖維3的直徑為50-100納米。
[0007]所述的導電高分子是聚吡咯或聚苯胺或聚噻吩其中的一種。
[0008]一種層次結構微納米多孔纖維電極材料的制備方法，按以下步驟進行: a復合織物纖維的預處理
將聚乳酸顆粒置于溶劑中，在磁力攪拌機作用下充分溶解，得到濃度為5wt°/『15wt%的均勻的聚乳酸溶液；將聚乳酸紡絲液吸入靜電紡用注射器桶內，開始紡絲，紡絲溫度為室溫，紡絲液輸出流量為0.5ml/h，電壓范圍為5kv~15kv，接收屏到噴絲頭之間的距離為1cm;將織物纖維放到噴絲頭和接收屏之間，使聚乳酸纖維充分纏繞在棉線表面，得到復合織物纖維。
[0009]其中，所述的溶劑由三氯甲烷和N，N- 二甲基甲酰胺按體積比為3:2配置而成。
[0010]其中，所述的聚乳酸分子量為100000。
[0011]用蒸餾水浸泡細菌纖維素膜3h，使用高速分散機打碎細菌纖維素膜，得到細菌纖維素納米纖維懸浮液，將上步得到的纖維浸入細菌纖維素膜懸浮液中，細菌纖維素納米纖維和復合織物纖維雜亂交織，形成孔隙率良好的具有層次結構的多孔纖維。
[0012]b導電高分子層的制備:
在室溫條件下，將氧化劑與去離子水配制成濃度為0.1mol/L~0.5mol/L的氧化引發溶液。
[0013]其中，氧化劑為三氯化鐵或過硫酸銨的一種。
[0014]將聚合物單體、陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和去離子水配成單體混合溶液，備用。
[0015]其中，聚合物單體的濃度為0.2mol/L~l.0mo I/L,摻雜劑濃度為0.0lmol/L~l.0mol/L，表面活性劑濃度為0.001mol/L~0.01mol/L,聚合物單體為吡咯或苯胺或噻吩的一種，摻雜劑為鹽酸，表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨，十二烷基苯磺酸鈉。
[0016]將多層復合纖維放入單體，陰、陽離子表面活性劑，單體的混合溶液中，磁力攪拌冰水浴lh，再逐滴加入氧化引發溶液，并持續攪拌在冰水浴反應2h ;取出復合纖維，用無水乙醇，去離子水分別清洗，放入摻雜劑中浸泡0.5h，取出用去離子水洗凈，在60°C的溫度下干燥lh，得到層次結構微納米多孔纖維。
[0017]由于采用以上技術方案，本發明采用以棉線為基材，再纏繞微米和納米級別的超細纖維，再在超細纖維上沉積導電高分子得到層次結構微納多孔纖維電極材料，制備方法簡單，條件易控，原料成本低，能量消耗少，適用于大規模工業生產。獲得的纖維電極材料不僅質輕、結構簡單、具有極好的柔性，而且比容量高，生物相容性好，可以運用到可穿著電子設備的生產中。
【附圖說明】
[0018]附圖為本發明的層次結構微納多孔纖維電極材料示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明的一種層次結構微納多孔纖維電極材料及其制備方法做進一步描述，見附圖。
[0020]一種層次結構微納多孔纖維電極材料，包括棉線1，聚乳酸纖維2，細菌纖維素納米纖維3，導電高分子4，所述的層次結構微納米多孔纖維電極材料由棉線1、聚乳酸電紡纖維2、細菌纖維素納米纖維3和導電高分子4構成，聚乳酸纖維2和細菌纖維素納米纖維3雜亂交織在棉線I的表面，在棉線1、聚乳酸纖維2和細菌纖維素納米纖維3上附著具有導電高分子4。
[0021]所述的聚乳酸分子量為100000。
[0022]所述的細菌纖維素納米纖維3直徑為50-100納米。
[0023]所述的導電高分子4是聚吡咯或聚苯胺或聚噻吩其中的一種。
[0024]一種層次結構微納多孔纖維電極材料，所述制備方法按以下步驟進行: a復合織物纖維的預處理將聚乳酸顆粒置于溶劑中，在磁力攪拌機作用下充分溶解，得到濃度為5wt°/『15wt%的均勻的聚乳酸溶液；將聚乳酸紡絲液吸入靜電紡用注射器桶內，開始紡絲，紡絲溫度為室溫，紡絲液輸出流量為0.5ml/h，電壓范圍為5kv~15kv，接收屏到噴絲頭之間的距離為1cm ;將棉線I放到噴絲頭和接收屏之間，使聚乳酸纖維2充分纏繞在棉線I表面，得到復合織物纖維。
[0025]其中，所述的溶劑是三氯甲烷和N，N- 二甲基甲酰胺按體積比為3:2配置而成。
[0026]其中，所述的聚乳酸分子量為100000。
[0027]用蒸餾水浸泡細菌纖維素膜3h，使用高速分散機打碎細菌纖維素膜，得到細菌纖維素納米纖維3懸浮液，將上步得到的纖維浸入細菌纖維素膜懸浮液中，細菌纖維素納米纖維3和復合織物纖維雜亂交織，形成孔隙率良好的具有層次結構的多孔纖維。
[0028]b導電高分子層4的制備:
在室溫條件下，將氧化劑與去離子水配制成濃度為0.1mol/L~0.5mol/L的氧化引發溶液。
[0029]其中，氧化劑為三氯化鐵或過硫酸銨的一種。
[0030]將聚合物單體、陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和去離子水配成單體混合溶液，備用。
[0031]其中，聚合物單體的濃度為0.2mol/L~l.0mol/L,摻雜劑濃度為0.0lmol/L~l.0mol/L，表面活性劑濃度為0.001mol/L~0.01mol/L,聚合物單體為吡咯或苯胺或噻吩的一種，摻雜劑為鹽酸，表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨，十二烷基苯磺酸鈉。
[0032]將多孔纖維放入單體，陰、陽離子表面活性劑，單體的混合溶液中，磁力攪拌冰水浴lh，再逐滴加入氧化引發溶液，并持續攪拌在冰水浴反應2h ;取出復合纖維，用無水乙醇，去離子水分別清洗，放入摻雜劑中浸泡0.5h，取出用去離子水洗凈，在60°C的溫度下干燥lh，得到層次結構微納米多孔纖維。
具體實施例
[0033]實施例一
按上述制備方法，將平均分子量為100000的聚乳酸顆粒置于三氯甲烷和N，N- 二甲基甲酰胺按體積比為3:2配成的溶劑中，使用磁力攪拌機使其充分溶解，得到5wt%的聚乳酸溶液，將聚乳酸紡絲液吸入靜電紡用注射器桶內，開始紡絲，紡絲溫度為室溫，紡絲液輸出流量為0.5ml/h，電壓為5kv，接收屏到噴絲頭之間的距離為10cm，將棉線放到接收屏和噴絲頭之間，使聚乳酸纖維充分纏繞在棉線上，形成聚乳酸纖維層。
[0034]用蒸餾水浸泡細菌纖維素膜3h，用高速分散機將浸泡好的細菌纖維素膜打碎，得到細菌纖維素膜納米纖維懸浮液，將上步得到的復合織物纖維浸入細菌纖維素膜懸浮液中，直徑為50納米的細菌纖維素納米纖維和上步驟處理得到的復合織物纖維雜亂交織在一起，形成孔隙率良好的具有層次結構的多孔纖維。
[0035]配置0.lmol/L的三氯化鐵溶液100ml，配置0.lmol/L的鹽酸溶液，將處理后的棉線浸泡在10ml的0.001mol/L的十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基溴化銨和0.lmol/L的吡咯單體混合液中攪拌冰水浴lh，然后緩慢滴加三氯化鐵溶液，再冰水浴2h，取出產物，用乙醇和水分別清洗，再放入0.lmol/L的鹽酸中浸泡0.5h，取出后放到60°C條件下烘干，得到纖維電極材料。
[0036]實施例二
按上述制備方法，將平均分子量為100000的聚乳酸顆粒混合于三氯甲烷和N，N- 二甲基甲酰胺按體積比為3:2配成的溶劑中，使用磁力攪拌機攪拌3h使其充分溶解，得到10wt%的聚乳酸溶液，將自然冷卻的聚乳酸紡絲液吸入靜電紡用注射器桶內，開始紡絲，紡絲溫度為室溫，紡絲液輸出流量為0.5ml/h，電壓為6kv，接收屏到噴絲頭之間的距離為10cm，將棉線放到接收屏和噴絲頭之間，使聚乳酸纖維充分纏繞在棉線上，形成聚乳酸纖維層。
[0037]用蒸餾水浸泡細菌纖維素膜3h，用高速分散機將浸泡好的細菌纖維素膜打碎，得到細菌纖維素膜納米纖維懸浮液，將上步得到的復合織物纖維浸入細菌纖維素膜懸浮液中，直徑為70納米的細菌纖維素納米纖維和上步驟處理得到的復合織物纖維雜亂交織在一起，形成孔隙率良好的具有層次結構的多孔纖維。
[0038]配置0.5mol/L的三氯化鐵溶液100ml，配置0.3mol/L的鹽酸溶液，將處理后的棉線浸泡在10ml的0.003mol/L的十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基溴化銨和0.4mol/L的吡咯單體混合液中攪拌冰水浴lh，然后緩慢滴加三氯化鐵溶液，再冰水浴2h，取出產物，用乙醇和水分別清洗，再放入1.0mol/L的鹽酸中浸泡0.5h，取出后放到60°C條件下烘干，得到纖維電極材料。
[0039]實施例三
按上述制備方法，將平均分子量為100000的聚乳酸顆粒混合于三氯甲烷和N，N- 二甲基甲酰胺按體積比為3:2配成的溶劑中，使用磁力攪拌機攪拌3h使其充分溶解，得到10wt%的聚乳酸溶液，將自然冷卻的聚乳酸紡絲液吸