本发明专利技术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Ｒ↓［１］包括氰基、苯基、醋酸基或甲氧羰基；Ｒ↓［２］包括右下化学式；Ｒ↓［３］为碳数１－７的烷基；Ｘ为氯、溴、四氟硼酸、六氟磷酸或ＮＨ（ＳＯ↓［２］ＣＨ↓［３］）↓［２］；以及ｍ／ｎ为１－９９／９９－１。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种碳纤维，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。为让本专利技术的上述目的、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，作详细说明如下附图说明图1-3为本专利技术纺丝液经溶液纺丝所纺出的纤维剖面图。 图4-7为本专利技术纺丝液经静电纺丝所纺出的纳米纤维棉网SEM图。 图8为本专利技术纺丝液经溶喷纺丝所纺出的纳米纤维棉网SEM图。 图9-11为本专利技术原丝纤维碳活化过程中的SEM图。具体实施例方式本专利技术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 专利技术化学式(I)的聚合物。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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毫升的曱本文档来自技高网...
【技术保护点】
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）：＊＊＊ （Ⅰ） 其中 Ｒ↓［１］包括氰基、苯基、醋酸基或甲氧羰基；Ｒ↓［２］包括＊＊＊ Ｒ↓［３］为碳数１－７的烷基；Ｘ为氯、溴、四氟硼酸（ＢＦ↓［４］）、六氟磷酸（ＰＦ↓［６］）或ＮＨ（ＳＯ↓［２］ＣＨ↓［３］）↓［２］；以及 ｍ／ｎ为１－９９／９９－１。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈联泰，郑淑蕙，魏腾芳，韩姿娴，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]
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