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3结语
静电纺丝技术因其前所未有的灵活性和模块化设计,独特的纳米尺寸优势,简单的加工工艺,在超级电容器领域的应用中发挥了极大优势。但静电纺丝技术依然存在着许多
不足,首先,静电纺丝技术制备纳米纤维的产率偏低,获得适合规模化制备的技术与相关设备已经成为制约其应用的重要因素;其次,多数电纺纤维在机械强度等方面还劣于其他纺织纤维;再次,纺丝过程中因溶剂挥发,纤维直径变小,而使纤维单位表面电荷量增大等原因,导致喷射的不稳定性。研究者将其概括为黏性不稳定性、轴对称的曲张不稳定性、非轴对称的弯曲不稳定性,这些不稳定性的存在造成了电纺制品在结构和尺寸上存在着偏差。这些偏差势必会影响电容器性能的发挥。尽管如此,经过多年的发展静电纺丝技术已经取得了显著进展。
工业化方面,2004年11月,捷克利贝雷茨技术大学与爱勒马可(ELMARCO)公司合作生产的纳米纤维纺丝机/纳米蜘蛛0问世,其特点是:无喷丝头(传统电纺机依靠针头上形成的Taylor锥产生纳米丝),纳米布的质量为0.1~5g˙m-2,产量为1~5g˙min-1(传统静电纺丝仪0.1~1g˙h-1),纤维直径为100~300nm。日本的帝人公司、Vilene公司、广濑制纸公司等也正在进行相关产品的开发。此外,无机高性能纤维强劲的发展态势和巨大的市场需求也在加速静电纺丝技术的工业化进程。据报道,2008年受全球金融危机的影响,全球合成纤维的生产首次出现1982年以来的负增长,但与此相反,全球无机高性能纤维正迎来前所未有的大发展,而静电纺丝技术是制备无机高性能纤维的重要方法。这一切都为静电纺纳米纤维的工业化提供了巨大机遇。
静电纺丝工艺方面,许多研究者也进行了大量研究。例如,Gu等通过对PAN静电纺丝工艺进行优化研究,发现溶液浓度是影响纤维直径及其波动程度的最大因素;Smit等对PAN电纺的收集装置进行改进,用一个水溶液储器代替了传统的平板收集器,最后得到了多根纤维聚集在一起连续取向的聚合物纱线。随着工艺的优化,射流不稳定性对电纺制品的不利影响将会得到改善。同时也表明,研究人员正在实现静电纺丝技术更大的可控性,电纺制品在结构和尺寸方面正在向着人们预想的方向发展。
在超级电容器的运用方面,静电纺丝技术可以继续发挥更大的作用。在电极制备方面,可以进一步细化纤维尺寸;可以制备更多纳米结构的电极,如空心、同轴、以及分级结构等,以满足不同形态电极的制备;可以制备循环寿命更佳的复合电极,在复合电极中实现相界面的间隙配合,以满足各物相(如氧化物相)体积膨胀的需要。同时,可以运用静电纺丝的优越性制备柔性的电极材料和电容器,以满足便携性的要求。在隔膜的制备方面,可以尝试多种聚合物的共同纺丝,利用不同聚合物的成丝性、导电性和环境稳定性的差异,制取理想的隔膜材料。总之,随着静电纺丝技术的成熟,必将带来电纺制品的进一步优化,为超级电容器性能的提高发挥更大贡献,促进其商品化。
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