纤维基能量存储/转换材料的构筑与性能研究

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纤维材料通常具有良好的机械性能、耐热性能和耐酸碱性能,而单一的纤维往往缺乏良好的导电性、抗静电和抗辐射性能等,限制了纤维材料的应用范围。采用化学、涂层或表面改性等技术对纤维进行改性,是制备具有特定性能纤维复合材料的有效方法之一。随着纤维复合材料的快速发展,其与能源相关器件已经开始成为材料科学、能源与环境、物理学、工程科学等诸多领域的主流研究方向。与传统的能量存储和转换器件相比,纤维基器件具有尺寸较小、质量轻、柔韧、透气和优异耐磨性等特点,同时也可以根据需求制备不同形状的纺织品。基于上述特性,纤维基能量转换和存储装置引起了人们的广泛关注。为满足现代电子技术对柔性、可织性和轻量化的要求,柔性纤维储能与转换装置便应运而生。本文设计并制备了几种纤维基能量存储/转换材料,对材料的结构和性能进行了较为深入的考察,为纤维材料在能量存储/转换方面的应用提供了一些参考。具体工作如下:织物由于其层次化的多孔结构和优良的柔性,常被用作储能装置的独立基板。然而,如何实现高负载质量的电活性材料,赋予其优异的电化学性能仍然是一个挑战。首先,以廉价易得的壳聚糖-粘胶纤维无纺布为基体,利用壳聚糖的高溶胀性能,对壳聚糖-粘胶纤维无纺布(CVF)的结构进行了重构,增大了其在超级电容器中用于柔性导电基体的比表面积。通过简单的浸渍干燥的方法,将多壁碳纳米管(MWCNT)涂覆在交联的壳聚糖-粘胶纤维无纺布(c-CVF)表面形成导电骨架。随后,在导电MWCNT/c-CVF基体上原位聚合形成聚吡咯(PPy)。在优化的反应条件下制备的PPy/MWCNT/c-CVF复合电极材料不仅具有较高的电导率(285.9±1.2 S·cm-1),而且在电流密度2 m A·cm-2时其面积比电容可达到10112.9 m F·cm-2。由于无纺布织物杂乱无序的纤维结构,因此对其进行深入的结构性能研究较为困难。玻璃纤维(GFs)具有许多优异的性能,包括高的强度、高弹性模量、耐化学和电气绝缘等。此外,GFs由于其高耐热性和高不可燃性,已成为一种理想的电加热纤维基纤维。以玻璃纤维为基体,采用硅烷偶联剂KH-550进行表面改性,之后通过简单的化学水浴法在改性纤维基底沉积CuS。基于Cu2+和-NH2的配位效应,高度互连的导电CuS网络均匀而紧密地包覆在GFs衬底上,制备的CuS/GFs复合材料具有高柔韧性和优异的力学性能。此外,CuS/GFs复合材料不仅保持了纤维基体固有的柔韧性和轻盈性,而且具有优良的电热转换性能,宽的温度范围(38℃-209℃),低的工作电压(0.3 V-1.5 V)以及快速的电热响应时间(1.5 V时10秒内可达209℃)。制备的CuS/GFs织物在CuS质量负载为9.95 mg cm-2时,其电磁屏蔽效率(EMI SE)为61 d B,远高于工业标准中的20 d B屏蔽效果,绝对屏蔽效率高达6130.65 d B cm~2 g-1。以良好耐酸碱性、应用广泛的棉布纤维为基体,通过聚多巴胺(PDA)与聚乙烯亚胺(PEI)共沉积技术对织物进行表面改性。通过数码照片、SEM以及生长硫化铜的结果综合确定最优的共沉积条件为PDA:PEI=1:2。采用化学浴法在改性棉布上生长硫化铜,系统研究了三乙胺的加入量对产物CuS/棉布复合织物的结构和性能的影响。对复合织物进行电热和光热实验,由于其较高的电导率(112 S cm-1)和硫化铜良好的光热吸收效果(94.1%,300-2400 nm),复合织物具有良好的电热和光热性能。通过水蒸发实验得出在1个太阳光照条件下,复合织物的水蒸发速率为1.591 kg m-2 h-2,光热水蒸气转换效率为94.8%。电热与光热双驱动水蒸发实验中,1个标准太阳光照射和2 V的电压下,样品的水蒸发质量达到4.540 kg m-2 h-2。最后,通过静电纺丝法制备复合纤维,将具有功能性硫化铜纳米颗粒置入纤维的内部,可以有效减少硫化铜与空气的接触,进而提高复合纤维的稳定性。在溶液中原位合成分散良好且具有强近红外吸收的QCS@CuS纳米材料,在此基础上,采用静电纺丝法制备了PAN/CuS复合纳米纤维膜。制备的PAN/CuS-5复合纤维膜在1个标准太阳光强度下的饱和表面温度可达到88℃,具有快速的响应特点(15 s左右到达稳态温度)。在自然光照的条件下,对PAN/CuS复合纤维膜的光热性能进行了研究,表明了制备的PAN/CuS复合纤维膜可作为一种有效的光热转换材料。此外,对PAN/CuS复合纤维膜进行了染色处理,染色后的纤维膜依旧保持了良好的光热性能,因此针对不同的应用目的,可用于后期的染色处理。
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