本發(fā)明涉及雜化炭纖維技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于超級電容器的新型雜化纖維炭紙的制備方法。

背景技術(shù)：

炭纖維具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、熱力學(xué)性能穩(wěn)定、價(jià)廉且易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于超級電容器的研究，以此來應(yīng)對日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題。但是由于木材結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)木質(zhì)基炭材料形貌和孔結(jié)構(gòu)的可控制備，影響其在超級電容器中的應(yīng)用。

通過造紙手段將木材無定形微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為纖維結(jié)構(gòu)，并結(jié)合雜化技術(shù)控制炭材料的結(jié)構(gòu)和組成等特征，以此提高炭材料的導(dǎo)電性，潤濕性和活性位點(diǎn)，進(jìn)而增強(qiáng)超級電容器的比電容，倍率性能和穩(wěn)定性，制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(jìn)行簡單高效的金屬化合物的摻雜可以優(yōu)化其性能，提高材料表面活性位點(diǎn)從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高能量密度和高功率密度的超級電容器的制備。

造紙作為中國具有悠久的歷史以及傳統(tǒng)的工藝，在國民經(jīng)濟(jì)中具有一定的地位和作用，得到的紙張具有吸附能力強(qiáng)，柔韌性可控等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)可以通過造紙工藝將木材這一無定形的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為微觀纖維狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，造紙工藝成本較低，效率很高，在很多應(yīng)用方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，已成為一種成熟傳統(tǒng)的商業(yè)工藝。此外，化學(xué)鍍方法，僅需浸漬的方式就可將金屬氧化物及金屬負(fù)載在纖維紙張上，進(jìn)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(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

歐洲專利（ep1009048）介紹了一種用于燃料電池的炭纖維紙的制備方法。主要是通過混合具有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的石墨結(jié)構(gòu)制備炭纖維紙，并應(yīng)用于燃料電池。此方法要求的制備條件相對比較復(fù)雜，且混合會導(dǎo)致導(dǎo)電不均勻，具有一定的應(yīng)用局限性。

韓國專利（kr20140092154）介紹了一種沉積pan纖維的方法制備炭纖維，涉及到炭纖維領(lǐng)域。通過將pan纖維進(jìn)行沉析方法形成炭纖維紙，孔隙度大，提高了紙張?jiān)鰪?qiáng)性，且提高了紙張的彈性系數(shù)。此方法具有重要的研究意義，相對制備條件復(fù)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(jié)合的方法制備燃料電池。此方法設(shè)計(jì)到結(jié)合反應(yīng)，通過制備二次混合結(jié)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(fā)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制造工藝。通過先分散制備好的或商業(yè)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涂覆在用傳統(tǒng)方法制備的炭紙表面，碳納米管就會被粘接到炭紙上，因?yàn)榫哂小搬斣饔谩碧技{米管會垂直于附著的炭紙表面，再炭化；最后還可以用化學(xué)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(fā)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。但是此方法需要涂覆、粘接再炭化的方式，使其不可控因素太多，有待于工藝簡單化。

公開號為cn1598141的中國專利介紹了一種炭纖維紙及其制法。采用將分散劑、一次粘結(jié)劑、炭纖維絲混合物放入水中，打漿形成懸浮液，用常規(guī)濕法抄紙技術(shù)將懸浮液進(jìn)行抄紙，將成型紙?jiān)诙握辰Y(jié)劑溶液中浸漬，浸漬后的碳紙?jiān)诟稍铮炕?。該發(fā)明專利具有制備工藝簡單、電阻率低、強(qiáng)度高、可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。此方法制備過程簡單、可循環(huán)使用。然而對炭纖維的分散性與紙張的結(jié)合性以及比表面積等方法的突破仍有待于研究。

公開號cn1598142的中國專利介紹了一種炭纖維紙及其制備方法。此方法采用將分散劑、纖維素漿、炭纖維絲混合物打漿形成懸浮液，用常規(guī)濕法抄紙技術(shù)將懸浮液進(jìn)行抄紙，將紙?jiān)跓o機(jī)催化劑溶液中浸漬，再在粘結(jié)劑溶液中浸漬,浸漬后的紙干燥，炭化。該發(fā)明專利具有電阻率低、導(dǎo)電率高、強(qiáng)度高、制備方法簡單的優(yōu)點(diǎn)。此方法操作簡單，周期短，合成效率高，重復(fù)性好，且對環(huán)境綠色無污染，應(yīng)用在燃料電池催化劑，導(dǎo)電材料領(lǐng)域。然而，其合成效率較低，重復(fù)性一般，需要考慮結(jié)合度等因素。

綜上所述，選用常見的木質(zhì)生物質(zhì)為前驅(qū)體通過成熟的轉(zhuǎn)化技術(shù)、簡單的雜化方法，精確的煅燒工藝制備新型雜化纖維炭紙張，且用于超級電容器的初步研究，簡單制備工藝，省時(shí)節(jié)能、高效易產(chǎn)業(yè)化備受關(guān)注。基于此，本發(fā)明提出了一種用于超級電容器的新型雜化纖維炭紙的制備方法，選用常見的木材為前驅(qū)體，通過抄紙技術(shù)、化學(xué)鍍浸漬，煅燒工藝制備，簡單，高效的制備出用于超級電容器的新型雜化纖維炭紙的制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種使用方便，靈活，高效的用于超級電容器的新型雜化纖維炭紙的制備方法。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種用于超級電容器的新型雜化纖維炭紙的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）以木材為前驅(qū)體，通過造紙工藝，木材經(jīng)蒸煮形成漿料；

（2）漿料經(jīng)洗滌、篩選、打漿形成紙漿，然后經(jīng)抄片機(jī)抄紙過程形成纖維紙張；

（3）將纖維紙張浸漬在化學(xué)鍍ni溶液中，完成金屬負(fù)載反應(yīng)后干燥，得到雜化纖維紙張；

（4）在氮?dú)獗Ｗo(hù)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(dǎo)電性能及電化學(xué)穩(wěn)定性，可以應(yīng)用于超級電容器領(lǐng)域。

所述步驟（1）中，以針葉或者落葉松為前驅(qū)體，采用傳統(tǒng)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，然后用篩漿機(jī)除去未成漿的固體木渣，并通過打漿完成細(xì)纖維化過程，打漿度為20~60°sr，抄片機(jī)抄紙過程的成紙定量為30g/m2~120g/m2。

所述步驟（3）中，化學(xué)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(xué)鍍ni溶液中，于60℃~80℃下反應(yīng)1h，然后在80~100℃溫度下干燥得到雜化纖維紙張。

所述化學(xué)鍍ni溶液由100~200mgniso4，100~200mg亞氨基二乙酸，100~200μl質(zhì)量分?jǐn)?shù)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?jiān)诘獨(dú)獗Ｗo(hù)下，700~900℃高溫煅燒2h后形成新型雜化纖維炭紙材料。

本發(fā)明的有益效果是：該用于超級電容器的新型雜化纖維炭紙的制備方法，以木材為原料，原料豐富，節(jié)能降耗；通過抄紙工藝使其結(jié)構(gòu)形成纖維狀，再經(jīng)簡單的化學(xué)鍍和炭化方法，高效的形成穩(wěn)定的雜化炭纖維紙，拓寬了生物質(zhì)能源形貌可控的研究、生物質(zhì)基炭材料的制備以及超級電容器的應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

附圖1為本發(fā)明新型雜化纖維炭紙基超級電容器的循環(huán)伏安曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。應(yīng)當(dāng)說明的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

該用于超級電容器的新型雜化纖維炭紙的制備方法，包括以下步驟：

（1）以木材為前驅(qū)體，通過造紙工藝，木材經(jīng)蒸煮形成漿料；

（2）漿料經(jīng)洗滌、篩選、打漿形成紙漿，然后經(jīng)抄片機(jī)抄紙過程形成纖維紙張；

（3）將纖維紙張浸漬在化學(xué)鍍ni溶液中，完成金屬負(fù)載反應(yīng)后干燥，得到雜化纖維紙張；

（4）在氮?dú)獗Ｗo(hù)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(dǎo)電性能及電化學(xué)穩(wěn)定性，可以應(yīng)用于超級電容器領(lǐng)域。

所述步驟（1）中，以針葉或者落葉松為前驅(qū)體，采用傳統(tǒng)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，然后用篩漿機(jī)除去未成漿的固體木渣，并通過打漿完成細(xì)纖維化過程，打漿度為20~60°sr，抄片機(jī)抄紙過程的成紙定量為30g/m2~120g/m2。

所述步驟（3）中，化學(xué)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(xué)鍍ni溶液中，于60℃~80℃下反應(yīng)1h，然后在80~100℃溫度下干燥得到雜化纖維紙張。

所述化學(xué)鍍ni溶液由100~200mgniso4，100~200mg亞氨基二乙酸，100~200μl質(zhì)量分?jǐn)?shù)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?jiān)诘獨(dú)獗Ｗo(hù)下，700~900℃高溫煅燒2h后形成新型雜化纖維炭紙材料。

實(shí)施例1：

選用落葉松為前驅(qū)體，木屑用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的氫氧化鈉溶液，在180℃蒸煮4h形成漿料，再經(jīng)去離子水洗滌至ph=7、篩漿機(jī)篩選、打漿形成紙漿，打漿度為60°sr，最后經(jīng)經(jīng)抄片機(jī)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(xué)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(fù)載，80℃反應(yīng)1h。經(jīng)100℃干燥后，得到雜化纖維紙張，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，700℃煅燒溫度下煅燒2h后形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應(yīng)用于超級電容器。

實(shí)施例2：

選用落葉松為前驅(qū)體，木屑用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的氫氧化鈉溶液，在160℃蒸煮3h形成漿料，再經(jīng)去離子水洗滌至ph=7、篩漿機(jī)篩選、打漿形成紙漿，打漿度為50°sr，最后經(jīng)經(jīng)抄片機(jī)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(xué)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(fù)載，80℃反應(yīng)1h。經(jīng)90℃干燥后，得到雜化纖維紙張，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，700℃煅燒溫度下煅燒2h后形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應(yīng)用于超級電容器。

實(shí)施例3：

選用落葉松為前驅(qū)體，木屑用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的氫氧化鈉溶液，在150℃蒸煮2h形成漿料，再經(jīng)去離子水洗滌至ph=7、篩漿機(jī)篩選、打漿形成紙漿，打漿度為20°sr，最后經(jīng)經(jīng)抄片機(jī)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(xué)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(fù)載，80℃反應(yīng)1h。經(jīng)85℃干燥后，得到雜化纖維紙張，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，800℃煅燒溫度下煅燒2h后形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應(yīng)用于超級電容器。

實(shí)施例4：

選用落葉松為前驅(qū)體，木屑用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的氫氧化鈉溶液，在170℃蒸煮4h形成漿料，再經(jīng)去離子水洗滌至ph=7、篩漿機(jī)篩選、打漿形成紙漿，打漿度為40°sr，最后經(jīng)經(jīng)抄片機(jī)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(xué)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(fù)載，60℃反應(yīng)1h。經(jīng)100℃干燥后，得到雜化纖維紙張，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，800℃煅燒溫度下煅燒2h后形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應(yīng)用于超級電容器。

實(shí)施例5：

選用針葉為前驅(qū)體，木屑用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的氫氧化鈉溶液，在165℃蒸煮3.5h形成漿料，再經(jīng)去離子水洗滌至ph=7、篩漿機(jī)篩選、打漿形成紙漿，打漿度為30°sr，最后經(jīng)經(jīng)抄片機(jī)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(xué)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(fù)載，70℃反應(yīng)1h。經(jīng)95℃干燥后，得到雜化纖維紙張，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，900℃煅燒溫度下煅燒2h后形成炭材料得到新型雜化纖維炭紙，且能有效的應(yīng)用于超級電容器。