[发明专利]一种三维碳纳米管/纺织纤维可拉伸电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电极材料及其制备领域，特别涉及一种三维碳纳米管/纺织纤维可拉伸电极材料的制备方法。

背景技术

电化学电容器，又称超级电容器，是一种兼有常规电容器与充电电池性能的新型能源存储器件。因功率密度高、循环寿命长、充电速度快、放置时间久、温度特性好、绿色安全等优点，被誉为21世纪最具有潜力的能源存储装置。传统的电源如电池、超级电容器等都是固体结构，刚性太大。目前研究较多的柔性超级电容器，虽具备一定的柔性，但基本不具备可拉伸性，即不能在小应力下实现与纺织品类似的大变形，限制了其在穿戴式医疗监控、通讯设备或其他小型电子产品中的应用。若要实现可穿戴，就需要发展柔性、轻质、可拉伸、便携的能源转换或存储装置，因此开发研制柔软可弯曲的超级电容器是目前研究重点。为了使可穿戴的电源装置与服装良好的结合，使其在与各种技术结合的同时，还能够保持一定的舒适性，织物结构是一个比较良好的电源装置形式。将纺织技术与信息技术、电子技术及纳米技术等的结合，赋予纺织品更多的附加功能。纯棉布是在纺织行业中最普遍的材料之一，该纤维具有高孔隙率，大的比表面积，具有大量的亲水性官能团。有利于活性物质沉积，可获得较高的能量密度和功率密度，是轻质柔性/可穿戴的超级电容器理想基材。

但普通棉纤维不导电，须通过与导电碳材料复合在其表面构筑连续三维导电多孔网络才能利用。目前纤维基与碳材料复合方法主要有纺前混合法、化学气相沉积法、浸渍法、浸轧法、静电喷涂法和电泳法等。其中化学气相沉积法、静电喷涂法和电泳法等都需要特殊的环境和设备，产业化应用较难，且纤维经过高温处理，会造成表面结构损伤，限制了其大规模应用。浸渍法方法简便，可利用已有的纺织基底在其表面及其纤维内部渗透纳米碳材料(如碳纳米管，石墨烯等)以实现导电可拉伸纤维基底。有大量研究直接将棉纤维织物多次浸渍于碳纳米管或者石墨烯分散液中制成导电织物电极。其构筑的导电电极有以下缺陷：其一、碳纳米管易聚集，仅仅依靠棉纤维与纳米碳材料(如碳纳米管，石墨烯等)之间的氢键和范德华力结合其牢度较差且不易均匀。其二、平面结构的导电纤维电容大小有限，需要进一步构筑三维结构，以提供较大的比表面积和较快的电子传输速率。其三、纯棉纤维本身可拉伸性能较差，需要与其他弹性较好的纤维混纺或者交织以形成可拉伸电极。故如何使碳纳米管在水中分散均匀，并与织物间以更好的牢度结合形成三维电极结构是值得研究的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三维碳纳米管/纺织纤维可拉伸电极材料的制备方法，该方法的工艺简单且易于工业化，制备得到的三维碳纳米管/纺织纤维可拉伸电极材料易于实现大规模生产，并且节能、环保，具有重大产业化应用价值。

本发明的一种三维碳纳米管/纺织纤维可拉伸电极材料的制备方法，包括：

(1)将经过前处理的纺织纤维双面涂覆石墨烯导电胶，双面静电植绒；其中，植绒电压50～60KV，极板间距离10～15cm，时间10～15s，预烘90～110℃，10～15min，焙烘135～140℃，5～8min；

(2)将步骤(1)中静电植绒得到的纺织纤维置于含有渗透剂的水浴中，浴比为15～20:1；加入生物型阳离子改性剂3～5％o w f.，处理10～15min；加入纯碱8～10％o w f.，调节染浴pH 10～11，65～80℃处理30～40min，清洗，烘干；

(3)将碳纳米管置于酸液中，110℃回流4～5h，得到酸化碳纳米管；

(4)室温下，将步骤(2)中烘干后的纺织纤维置于分散剂和步骤(3)中酸化碳纳米管的复合制剂液中，超声5～10min后室温条件下浸渍5～8min，烘干，浸渍和烘干工艺重复5～8次，即得三维碳纳米管/纺织纤维可拉伸电极材料；其中，复合制剂液中分散剂的含量为15～20g/L，酸化碳纳米管的含量为1.6～2g/L。

所述步骤(1)中纺织纤维为棉/氨纶混纺织物；其中，棉和氨纶混纺比95:5，纤度18.2dtex。

所述静电植绒中的绒毛(棉或粘胶纤维)规格为0.5mm，纤度1.5dtex；酸化碳纳米纯度>95wt％，直径3～5nm，长度8-15nm，比表面积约为240m²/g。

所述步骤(2)中水浴中渗透剂的浓度为1～1.5g/L；其中，渗透剂为JFC。

所述步骤(2)中生物阳离子改性剂为阳离子改性剂SA、改性壳聚糖或阳离子淀粉。

所述步骤(3)中酸液为浓硝酸。