活性碳纤维及其前体原料的制作方法

专利名称：活性碳纤维及其前体原料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纤维，特別是涉及一种可用于制作超高电容器电极 的活性碳纤维及其前体原料。
背景技术：
制备碳纤维的众多材料中，聚丙烯腈(PAN)纤维是公认最具有潜力且重 要的前体(precursor)，因其高度顺向性、高熔点以及超过45%的高碳产率 (carbonyield)。经低温预热处理，PAN纤维会具较佳的热稳定性，形成高顺 向梯状结构。在碳化中，分子链不会因高热裂解而断链，可生产出具有高 性能的碳纤维。
锂离子二次电池由于能量密度高、重量轻，已成为主流动力能源组件。 其主要以碳材为负极材料，商品主要采用介稳相球状碳(MCMB)或石墨纤维 (或粉)。然而因电极材料的结构因素，目前锂离子二次电池尚无法以高功率 (3C以上)输出，从而限制了其在电动工具(powertools)及电动车辆(EV)上的 应用发展。超电容可克服及改善高功率输出问题(但其能密度低，约为电池 的1/10), —般均设计搭配电池混合使用。超高电容器电极材料主要采用活 性碳，材料要求高表面积、高孔隙度及高导电度，若能将电极材料纳米细 化，则高表面积、高孔隙度及导电性等特性均可大幅度提高，由此可使传 统碳材附加价值大幅增加并推广应用领域。但材料纳米化后，欲制成电极 却须使用大量胶合剂，反而不利于能量密度的提高。而如文献所报导的， 以纺织工艺制作原丝，再碳石墨化制成细丹尼碳纤，可克服此问题。

发明内容
本发明提供一种活性碳纤维前体原料，包括聚丙烯腈；以及聚合物， 该聚合物具有下列化学式(I):其中&包括氰基、苯基、醋酸基或曱氧羰基；R2包括
<formula>formula see original document page 5</formula>R3 或 R3 ; R3为碳数l-7的烷基；X为氯、渙、四氟硼酸、 六氟磷酸或NH(S02CH3)2;以及m/n为1-99/99-1。上述前体原料中的聚丙 烯腈包含纯聚丙烯腈或聚丙烯腈共聚物。
本发明另提供一种可用于制作超高电容器电极的活性碳纤维，其由下 列方法所制备，包括提供包含上述的活性碳纤维前体原料的纺丝液；对 该纺丝液进行纤维成形制程以制成纤维原丝；以及氧化该纤维原丝后，进 行热处理，以形成活性碳纤维。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更加明显易懂，下文特举优选 实施例，并配合附图，作详细说明如下


图1-3为本发明纺丝液经溶液纺丝所纺出的纤维剖面图。 图4-7为本发明纺丝液经静电纺丝所纺出的纳米纤维棉网SEM图。 图8为本发明纺丝液经溶喷纺丝所纺出的纳米纤维棉网SEM图。 图9-11为本发明原丝纤维碳活化过程中的SEM图。
具体实施例方式
本发明提供一种活性碳纤维前体原料，包括聚丙烯腈，以及聚合物<formula>formula see original document page 5</formula>N \等取代基的乙烯单体以及例如为2,2，-偶氮二异丁腈 (2,2，-azobisisobutironitrile, AIBN)的起始剂进行聚合反应，以形成共聚物。 之后，将此共聚物溶于例如二曱基乙酰胺(dimethylacetamide， DMAc)的溶剂 中进行离子化反应。最后，对此离子化共聚物进行离子交换，即可获得本 发明化学式(I)的聚合物。
本发明提供一种活性碳纤维，由下列方法所制备，包括提供包含上 述活性碳纤维前体原料的纺丝液，对纺丝液进行纤维成形制程以制成纤维 原丝，以及氧化该纤维原丝，之后进行热处理，以形成活性碳纤维。
上述纺丝液还包括例如二曱基曱酰胺(dimethylforamide)或二曱基乙酰
该聚合物具有下列化学式(I):
<formula>formula see original document page 6</formula>
在化学式(I)中，R!可包括氰基、苯基、醋酸基或曱氧羰基。R2可包括
<formula>formula see original document page 6</formula>
R3 、 R3或R3 。 R3可为碳数l-7的烷基。X可为
氯、溴、四氟硼酸、六氣磷酸或NH(S02CH3)2。 m/n为1-99/99-1。
上述活性碳纤维前体原料中，聚合物对聚丙烯腈的百分比大体小于
30%。聚丙烯腈的分子量大体介于50,000-400,000。而聚丙烯腈包含纯聚丙
烯腈或聚丙烯腈共聚物。
化学式(I)可由下述方式合成，首先，混合例如含氰基、苯基、醋酸基
<formula>formula see original document page 6</formula>
或曱氧羰基等取代基的乙烯单体、另一种例如含 N'
<formula>formula see original document page 6</formula>胺的溶剂。纺丝液的固含量大体介于5-30wt%。
上述纺丝制程包括纳米纺丝或溶液纺丝，其中纳米纺丝包括静电纺丝 或溶喷纺丝，溶液纺丝包括第一凝固浴与第二凝固浴。第一凝固浴所使用 的溶液为由二曱基乙酰胺与水所组成的混合溶液，其中二曱基乙酰胺在混 合溶液中的重量百分比大体介于5-95wt%。而第二凝固浴所使用的溶液为水 溶液。
上述纤维原丝的氧化温度大体介于摄氏200-300度，或介于摄氏 220-270度。
上述热处理为碳活化制程，包含碳化后再活化处理或碳化活化同时处 理，其加热温度大体介于摄氏600-1,500度，或介于摄氏800-1,100度。
本发明活性石灰纤维的比表面积大体介于200-3,000m2/g，比电阻小于 10Qm，例如10-0.01Qm，水系电容量大于250F/g，例如250-l，500F/g，有 机系电容量大于30F/g,例如30-130F/g。
本发明以新型的含氮正离子及含硼、磷负离子基团的共聚物调控原丝 液配方，在纺丝制程中形成纳米微相分离，得到的原丝经碳活化加工后， 可形成中尺度(meso)及大尺度(macro)级孔隙。本发明制作的碳纤有效表面积 可达2,000mVg(BET方法测试)以上，用于超高电容器时，水系电解质评估 电容量可达300F/g以上，有才几系电解质评估电容量也可达30F/g以上，远 超过目前市售产品的电极材料电容量。本发明的碳材经石墨化及表面处理 后，可更进一步推广应用至各种碳负极材料。本发明原丝组成具有硼或磷 或两者皆有的无机化合物，亦具有提高产物电容量的功能。
实施例 实施例1
苯乙烯-乙烯基-丁烷咪唑六氟磷酸共聚物的合成 (1)苯乙烯-l-乙烯基咪唑共聚物的合成
<formula>formula see original document page 7</formula>
反应前，反应物单体皆经过减压蒸馏纯化，反应在氮气环境下进行。 将苯乙烯与1-乙烯基咪唑以70: 30的摩尔比例混合溶于60毫升的异丙醇(isopropanol, IPA)中，并加入lwt。/。的偶氮二异丁腈(AIBN)起始剂。将反应 温度控制在摄氏60度，反应48小时。反应液的固含量为40 wt%,固体产 物以300毫升的纯水清洗三次，再以100毫升的曱醇清洗一次。待以温度 摄氏60度、压力10"torr进行真空干燥24小时后，即可获得淡黄色固体产 物苯乙烯-l-乙烯基咪唑共聚物。此共聚物的产率为87.5%。
!HNMR(d6-DMSO), 5 = 7.6; 7.1-6.8(咪唑基团)；7.1; 6.8(苯乙烯基团)； 3.3; 2.1; 1.5-1.0。经由'HNMR光谱的积分比例计算，得到的共聚物中苯 乙烯与乙烯基咪唑的摩尔比例为71: 29。
(2)苯乙烯-乙烯基-丁烷咪唑的离子化反应
首先，将100克的苯乙烯-l-乙烯基咪唑共聚物置于反应瓶中，并以300 毫升的二曱基乙酰胺(DMAc)溶解。之后，将300毫升的4-溴丁烷置于加料 漏斗中逐滴加入反应瓶，反应温度控制在室温，反应48小时。待反应液减 压浓缩除去二曱基乙酰胺溶剂后，以温度摄氏60度、压力10"torr真空干 燥12小时，即可获得淡黄色溴化苯乙烯-l-乙烯基咪唑共聚物。将溴化苯乙 烯-l-乙烯基咪唑共聚物置于反应瓶中，并加入50倍的水使其全部溶解。之 后，将1.5倍当量的六氟磷酸钾以10倍的水溶解，并置于加料漏斗中慢慢 加入。室温反应24小时。待白色粉末固体产物析出后，以纯水清洗三次， 再以曱醇清洗一次，真空干燥后，即可获得白色固体产物，六氟磷酸化的 苯乙烯-乙烯基-丁烷咪唑六氟磷酸共聚物。测试GPC得知其分子量 Mw=210,000; PDI=3.13。
'HNMR(d6-DMSO), 5 = 8.8; 7.6(咪唑正离子基团)；7.1; 6.8(苯乙烯 基团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。经由1HNMR光i普的积分比例计算，得到的共聚 物中苯乙烯与乙烯基咪唑基团的摩尔比例为72: 28。
实施例2
笨乙烯-乙烯基-丁烷咪唑六氟磷酸钟共聚物的合成 合成反应步骤与实施例l相同，但是加入的苯乙烯与1-乙烯基咪唑的摩尔比例为50: 50。经由'HNMR光谱的积分比例计算，得到的六氟磷酸 共聚物中苯乙烯与乙烯基咪唑基团的摩尔比例为52: 48。 Mw=180,000; PDI=3.57。
iHNMR(d6-DMSO), 5 = 8.8; 7.6(咪唑正离子基团)；7.1-7.3(苯乙烯基 团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。
实施例3
苯乙烯-乙烯基-丁烷咪唑六氟磷酸钾共聚物的合成
合成反应步骤与实施例l相同，但是加入的苯乙烯与1-乙烯基咪唑的 摩尔比例为30: 70。经由'HNMR光谱的积分比例计算，得到的六氟磷酸 共聚物中苯乙烯与乙烯基咪唑基团的摩尔比例为34: 66。 Mw=160,000; PDI=3.17。
1HNMR(d6-DMSO), S = 8.8; 7.6(咪唑正离子基团)；7.1-7.3(苯乙烯基 团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。
实施例4
苯乙烯-乙烯基-丁烷咪唑四氟硼酸共聚物的合成(加入的苯乙烯与1-乙 烯基咪唑的摩尔比例为70: 30)
合成反应步骤与实施例l相同，但是盐基化反应时以四氟硼酸钾替代 六氟磷酸钾。经由11^1^11光谱的积分比例计算，得到的四氟硼酸共聚物中 苯乙烯与乙烯基咪唑基团的摩尔比例为34: 66。 Mw=200,000; PDI=3.22。
iHNMR(d6-DMSO), S = 8.9; 7.5(咪唑正离子基团)；7.1-7.3(苯乙烯基 团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。
实施例5
苯乙烯-乙烯基-丁烷咪唑四氟硼酸共聚物的合成
合成反应步骤与实施例4相同，但是加入的苯乙烯与1-乙烯基咪唑的 摩尔比例为50: 50。经由'HNMR光谱的积分比例计算，得到的四氟硼酸 共聚物中苯乙烯与乙烯基咪唑基团的摩尔比例为34: 66。 Mw=170，000; PDI=3.51。
iHNMR(d6-DMSO)， S = 8.9; 7.5(咪唑正离子基团)；7.1; 6.8(苯乙烯基 团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。经由iffisfMR光谱的积分比例计算，得到的四氟硼 酸共聚物中苯乙烯与乙烯基咪唑基团的摩尔比例为34: 66。 Mw=180,000; PDI=3.40。实施例6
苯乙烯-乙烯基-丁烷咪唑四氟硼酸共聚物的合成
合成反应步骤与实施例4相同，但是加入的苯乙烯与1-乙烯基咪唑的
摩尔比例为30: 70。经由'HNMR光谱的积分比例计算，得到的四氟硼酸 共聚物中苯乙烯与乙烯基咪唑基团的摩尔比例为34: 66。 Mw=163,000; PDI=3.23。
1HNMR(d6-DMSO)， S = 8.9; 7.5(咪唑正离子基团)；7.1; 6.83(苯乙烯基 团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。经由！HNMR光谱的积分比例计算，得到的四氟硼 酸共聚物中苯乙烯与乙烯基咪唑基团的摩尔比例为34: 66。 Mw^l50,000; PDI=3.31。
实施例7
苯乙烯-(乙烯基-丁烷-4-吡啶六氟磷酸)共聚物的合成 (1)苯乙烯-(乙烯基4-吡啶)共聚物的合成
反应前，反应物单体皆经过减压蒸馏纯化，反应在氮气环境下进行。 将苯乙烯与乙烯基-4-吡咬以70: 30的摩尔比例混合，溶于60毫升的异丙 醇，并加入lwt。/。的偶氮二异丁腈(AIBN)起始剂。将反应温度控制在摄氏60 度，反应48小时。反应液的固含量为40wt%,固体产物以300毫升的纯水 清洗三次，再以100毫升的曱醇清洗一次。待以温度摄氏60度、压力10"torr 进行真空干燥24小时后，即可获得淡黄色固体产物苯乙烯-(乙烯基-4-吡 啶)共聚物。此共聚物的产率为87.5%。
!丽MR(d6-DMSO)， 5 = 8.2; 7.0; 6.4; 3.3; 1.5-1.0。经由tHNMR光 谱的积分比例计算，得到的共聚物中苯乙烯与乙烯基-4-吡啶的摩尔比例为 71: 29。
(2)苯乙烯-(乙烯基-4-吡啶)共聚物的离子化的反应首先，将100克的苯乙烯-(乙烯基-4-吡啶)共聚物置于反应瓶中，并以 300毫升的二曱基乙酰胺(DMAc)溶解。之后，将300毫升的4-溴基丁烷置 于加料漏斗中逐滴加入反应瓶，反应温度控制在室温，反应48小时。待反 应液减压浓缩除去二甲基乙酰胺溶剂后，以温度摄氏60度、压力10"torr 真空干燥12小时，即可获得淡黄色溴化苯乙烯-l-乙烯基咪唑共聚物。将溴 化苯乙烯-l-乙烯基咪唑共聚物置于反应瓶中，并加入50倍的水使其全数溶 解。之后，将1.5倍当量的六氟磷酸钾以IO倍的水溶解，并置于加料漏斗 中慢慢加入。室温反应24小时。待白色粉末固体产物析出后，以纯水清洗 三次，再以甲醇清洗一次，真空干燥后，即可获得白色固体产物，苯乙烯-(乙 烯基-丁烷-4-p比啶六氟磷酸)共聚物。测试GPC得知其分子量Mw=240,000; PDI=3.43。
i丽MR(d6-DMSO)， 5 = 8.6; 7.0(4-吡啶正离子基团)；7.0-6.7(苯乙烯基 团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。经由HNMR光谱的积分比例计算，得到的共聚物 中苯乙烯与乙烯基4-吡啶基团的摩尔比例为72: 28。
实施例8
苯乙烯-(乙烯基-丁烷-4-吡啶六氟磷酸)共聚物的合成 合成反应步骤与实施例7相同，但是加入的苯乙烯与乙烯基-4-吡啶的 摩尔比例为50: 50。经由iHNMR光谱的积分比例计算苯乙烯-(乙烯基-丁 烷-4-吡啶六氟磷酸)共聚物。测试GPC得知其分子量Mw=210,000; PDI=3,20。
1HNMR(d6-DMSO)，S = 8.5; 7.0(4-吡啶正离子基团)；7.0-6.7(苯乙烯基 团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。经由iHNMR光谱的积分比例计算，得到的共聚物 中苯乙烯与乙烯基4-吡啶基团的摩尔比例为52: 48。
实施例9
苯乙烯-(乙烯基-丁烷-4-吡啶四氟硼酸)共聚物的合成(加入的苯乙烯与 l-乙烯基-4-吡啶的摩尔比例为50: 50)合成反应步骤与实施例8相同，但是盐基化反应时以四氟硼酸钾替代
六氟磷酸钾。经由'HNMR光镨的积分比例计算苯乙烯-(乙烯基-丁烷-4-吡啶 六氟磷酸)共聚物。测试GPC得知其分子量Mw-212，000; PDI=3.31。
1HNMR(d6-DMS0)， S = 8.7; 7.0(4-吡咬正离子基团)；7.0-6.7(苯乙烯基 团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。经由'HNMR光谱的积分比例计算，得到的共聚物 中苯乙烯与乙烯基4-吡啶基团的摩尔比例为52: 48。
实施例10
丙烯腈-(乙烯基-丁烷-4-吡啶六氟磷酸)的合成(力口入的丙烯腈与乙烯基 咪唑的摩尔比例为50: 50)
合成反应步骤与实施例2相同，但是聚合反应时以丙烯腈替代苯乙烯。 经由'HNMR光谱中主链脂肪烷与侧链芳香基团的比例计算，得到的六氟磷 酸共聚物中丙烯腈与乙烯基-丁烷-4-吡啶基团的摩尔比例为56: 44。 Mw=240,000; PDI=3.17。 i丽MR(d6-DMSO)， S = 8.6; 7.0(4-吡咬正离子基 团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。
实施例11
丙烯腈-(乙烯基-丁烷-4-p比嚏四氟硼酸〗的合成(加入的丙烯腈与乙烯基 咪唑的摩尔比例为50: 50)
合成反应步骤与实施例IO相同，但是盐基化反应时以四氟硼酸钾替代 六氟磷酸钾。经由iHNMR光镨中主链脂肪烷与侧链芳香基团的比例计算， 得到的四氟硼酸共聚物中丙烯腈与乙烯基-丁烷-4-吡啶基团的摩尔比例为 56: 44。 Mw=236,000; PDI=3.05。 i丽MR(d6-DMS0), 5=8.6; 7.0(4-吡啶正 离子基团)；3.3; 2.1; 1.5-1.0。
实施例12
离子化苯乙烯-乙烯基咪唑共聚物的溶液纺丝
首先，将10克的离子化苯乙烯-l-乙烯基咪唑共聚物与90克的聚丙烯 腈置于反应瓶中，以约500毫升的二曱基乙酰胺(DMAc)溶解，并配置成固 含量12-20wt。/。的不同重量百分比的纺丝液。进行溶液纺丝时，第一次凝固 浴混合液中二曱基乙酰胺(DMAc)的重量百分比为60wt%。
凝固浴的温度为摄氏30-35度，第二次凝固浴所使用的溶液为水溶液， 凝固浴的温度为摄氏70-75度。纺嘴孔径为0.12mm,纺嘴孔数为100孔， 吐出量为4.0cc。以上述条件纺出的纤维其纤维细度为44-75|im，内部孔洞为100-400nm,纤维表面粗糙含孔洞。SEM分析如图l-3所示。图1为12wt% 固含量的纺丝液(苯乙烯-l-乙烯基咪唑共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1: 9)所纺出的湿纺纤维剖面图。图2为15wto/。固含量的纺丝液(苯乙烯-l-乙烯 基咪唑共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1: 9)所纺出的湿纺纤维剖面图。 图3为20wt。/。固含量的纺丝液(苯乙烯-l-乙烯基咪唑共聚物对聚丙烯腈 (PAN)的比例为1: 9)所纺出的溶液纺丝纤维剖面图及细部放大图。 实施例13
聚丙烯腈的静电纺丝
首先，将IO克聚丙烯腈(PAN)粉末置于反应瓶中，以36克二曱基乙酰 胺(DMAC)溶解，配制成固含量10wt。/。的纺丝液。之后，在42.5KV，纺口 距20cm的条件下进行静电纺丝，经收集器收集成纳米纤维棉网，以SEM 观察表面形态，如图4所示。图4为聚丙烯腈(PAN)经静电纺丝的SEM图。 其纤维直径分布范围为170-300nm。
实施例14
离子化氰基-1 -乙烯基吡啶共聚物的静电纺丝
首先，将4克离子化氰基苯乙歸-l-乙烯基吡啶共聚物与36克聚丙烯腈 (PAN)粉末共同置于反应瓶中，以二甲基乙酰胺(DMAC)溶解，配制成固含 量10wt。/。的纺丝液(氰基-l-乙烯基吡啶共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1: 9)。之后，在42.5KV,纺口距20cm的条件下进行静电纺丝，经收集器收集 成纳米纤维棉网，以SEM观察表面形态，如图5所示。图5为10wt。/。固含 量的纺丝液(氰J^苯乙烯-l-乙烯基吡啶共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1: 9)经静电纺丝的SEM图。其纤维直径分布范围为130-280nm。
实施例15
离子化苯胺-1 -乙烯基吡啶共聚物的静电纺丝
首先，将4克离子化苯胺-l-乙烯基吡啶共聚物与16克聚丙烯腈(PAN) 粉末共同置于反应瓶中，以二甲基乙酰胺(DMAC)溶解，配制成固含量10 wt。/。的纺丝液(苯胺-l-乙烯基吡啶共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1: 9)。 之后，在42.5KV，纺口距20cm的条件下进行静电紡丝，经收集器收集成 纳米纤维棉网，以SEM观察表面形态，如图6所示。图6为10wt。/。固含量 的纺丝液(苯胺-l-乙烯基吡啶共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1: 9)经静电 纺丝的SEM图。其纤维直径分布范围为70-140nm。实施例16
离子化苯胺-1 -乙烯基吡啶共聚物的静电纺丝
首先，将4克离子化苯胺-l-乙烯基吡啶共聚物与36克聚丙烯腈(PAN) 粉末共同置于反应瓶中，以二甲基乙酰胺(DMAC)溶解，配制成固含量 10wto/。的纺丝液(苯胺-l-乙烯基吡咬共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1:4)。 之后，在42.5KV,纺口距20cm的条件下进行静电纺丝。经收集器收集成 纳米纤维棉网，以SEM观察表面形态，如图7所示。图7为10wt。/。固含量 的纺丝液(苯胺-l-乙烯基吡啶共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1: 4)经静电 纺丝的SEM图。其纤维直径分布范围为100-170nm。
实施例17
离子化苯胺-l-乙烯基吡啶共聚物的溶喷纺丝
首先，将4克离子化苯胺-l-乙烯基吡啶共聚物与36克聚丙烯腈(PAN) 粉末共同置于反应瓶中，以二曱基乙酰胺(DMAC)溶解，配制成固含量 17wt。/。的纺丝液(苯胺-l-乙烯基吡啶共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1:9)。 之后，于在纺压5kg/cm2、纺口距20cm的条件下进行溶喷纺丝。经收集器 收集成纳米纤维棉网，以SEM观察表面形态，如图8所示。图8为17wt。/。 固含量的纺丝液(苯胺-l-乙烯基吡啶共聚物对聚丙烯腈(PAN)的比例为1: 9) 经静电纺丝的SEM图。其纤维直径分布范围为400-800nm。
实施例18
原丝纤维的碳活化
将平均纤维直径为300-500nm的聚丙烯腈(PAN)原丝于摄氏270度下 进行氧化1小时，再于含水的氮气气氛中快速升温(10度/分钟)至摄氏1,000 度，并持续加热IO分钟进行碳活化制程。待冷却回室温后，即完成纳米活 性石友纤维棉网的制作。SEM分析如图9-11所示。图9为原丝纤维的SEM 图。图10为原丝纤维经热氧化的SEM图。图11为原丝纤维经碳活化的SEM 图。原丝纤维直径为300-500nm,经热氧化后，纤维直径为100-200nm,再 经碳活化后，纤维直径可达35-130nm。经碳活化处理后的纳米碳纤表面富 含孔洞，其比表面积为360-780m2/g。
实施例19
改质纤维的碳活化
将平均纤维直径为200-350nm含离子化笨胺-1 -乙烯基吡啶共聚物的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维于摄氏270度下进行氧化1小时，再于含水的氮气气 氛中快速升温(10度/分钟)至摄氏l，OOO度，并持续加热IO分钟进行碳活化 制程。待冷却回室温后，即完成纳米活性碳纤维棉网的制作。原丝纤维直 径为200-350nm,经热氧化后，纤维直径为90-140nm,再经^暖活化后，纤 维直径可达35-105nm。经碳活化处理后的纳米碳纤表面富含孔洞，其比表 面积为860-1390m2/g。
实施例20
电容器的测试
以三极测试系统测量活性碳纤维电容量，将实施例18-19的纳米活性 碳纤维棉网取lcii^面积，称重后置于测试槽中，使用电解质，水系电解质 为1M碌u酸溶液，有机系电解液为1M四己铵盐/PC溶液，测试系统包含 Ag/AgCl电极当作参比电极(Reference)、工作电极(活化超薄碳纤维 (Activated ultra-thin carbon fiber))、相对电才及(Pt)。 <吏用循环伏安测试方法， 以定电位扫描速率6(mV/sec)进行循环伏安扫描，以稳定电位进行5次循环 扫描，电容量计算公式如下，再除上重量计算其单位重量电容量。
C=i/v
C:电容量(F); i:电流量(A); v:扫描速率(mV/sec) 本发明实施例中经碳活化处理后的活性碳纤电容量水系电解质系统为 450-520F/g,有机系电解质系统为30-35F/g。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任 何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作更改与润饰， 因此本发明的保护范围应以所附权利要求书限定的范围为准。
权利要求
1.一种活性碳纤维前体原料，包括聚丙烯腈；以及聚合物，具有下列化学式(I)其中R1包括氰基、苯基、醋酸基或甲氧羰基；R2包括 id="icf0002" file="A2007101088980002C2.tif" wi="90" he="42" top= "106" left = "47" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>R3为碳数1-7的烷基；X为氯、溴、四氟硼酸(BF4)、六氟磷酸(PF6)或NH(SO2CH3)2；以及m/n为1-99/99-1。
2. 如权利要求1所述的活性碳纤维前体原料，其中聚丙烯腈的分子量大 体介于50，000-400，000。
3. 如权利要求1所述的活性碳纤维前体原料，其中该聚合物对聚丙烯腈 的重量百分比大体小于30%。
4. 一种活性碳纤维，系由下列方法所制备，包括提供纺丝液，该纺丝液包含权利要求1所述的活性碳纤维前体原料； 对该纺丝液进行纺丝制程，以形成纤维原丝；以及 氧化该纤维原丝后，进行热处理，以形成活性碳纤维。
5. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中该纺丝液包括溶剂。
6. 如权利要求5所述的活性碳纤维，其中该溶剂包括二曱基曱酰胺或二 甲基乙酰胺。
7. 如权利要求5所述的活性碳纤维，其中该纺丝液的固含量大体介于 5-35wt%。
8. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中该纺丝制程包括纳米纺丝或溶 液纺丝。
9. 如权利要求8所述的活性碳纤维，其中该溶液纺丝包括第一凝固浴与 第二凝固浴。
10. 如权利要求8所述的活性碳纤维，其中该纳米纺丝包括静电纺丝或 溶喷纺丝。
11. 如权利要求9所述的活性碳纤维，其中该第一凝固浴所使用的溶液 为由二曱基乙酰胺与水所组成的混合溶液。
12. 如权利要求11所述的活性碳纤维，其中二曱基乙酰胺在该混合溶液 中的重量百分比大体介于5-95wt%。
13. 如权利要求9所述的活性碳纤维，其中该第二凝固浴所使用的溶液 为水溶液。
14. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中氧化该纤维原丝的温度大体 介于摄氏200-300度。
15. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中氧化该纤维原丝的温度大体 介于摄氏220-270度。
16. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中该热处理的温度大体介于摄 氏600-1,500度。
17. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中该热处理的温度大体介于摄 氏800-1,100度。
18. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中该热处理为碳活化制程。
19. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中该活性碳纤维的比表面积大 体介于200-3 ，000m2/g。
20. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中该活性碳纤维的比电阻小于 腦m。
21. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中该活性碳纤维的水系电容量 大于250F/g。
22. 如权利要求4所述的活性碳纤维，其中该活性碳纤维的有机系电容 量大于30F/g。
全文摘要
本发明提供一种可用于制作超高电容器电极的活性碳纤维及其前体原料。该活性碳纤维的前体原料包括聚丙烯腈；以及具有化学式(I)的聚合物，其中R₁包括氰基、苯基、醋酸基或甲氧羰基；R₂包括右下化学式；R₃为碳数1-7的烷基；X为氯、溴、四氟硼酸、六氟磷酸或NH(SO₂CH₃)₂；以及m/n为1-99/99-1。
文档编号D01F9/22GK101319415SQ200710108898
公开日2008年12月10日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者郑淑蕙, 陈联泰, 韩姿娴, 魏腾芳 申请人:财团法人工业技术研究院