醫用口罩熔噴非織造布電極的制備及其電化學性能

2023-01-06 03:38:38王洪杰

紡織學報 2022年12期

王洪杰，姚嵐，王赫,3，張仲

(1.安徽工程大學紡織服裝學院，安徽蕪湖 241000；2.安徽工程大學安徽省紡織結構復合材料國際聯合研究中心，安徽蕪湖 241000；3.安徽工程大學安徽省紡織工程技術研究中心，安徽蕪湖 241000)

面對突如其來的新冠疫情，醫用口罩已成為人們應對疫情的必需品。目前，市場上使用最多的是一次性醫用外科口罩，其主要生產材料是非織造布，由纖維定向或者雜亂無章堆疊而成，具有優異的柔性和韌性，且制造成本低[1-3]。當前，一次性醫用外科口罩的使用量巨大，所產生的廢棄口罩數量也逐漸增加，大量廢棄口罩的囤積給環境造成嚴重負擔。回收再利用廢棄的一次性醫用外科口罩是解決當前問題的最好途徑。然而，一次性醫用外科口罩的原料是聚丙烯，往往通過焚燒的方式進行處理，導致產生大量有害物質[4-5]，故對廢棄醫用口罩高值化再利用的研究具有重要意義。

超級電容器是一種新型儲能器件，近年來在電子設備、醫療器械、新能源等領域都有所應用[6-8]，具有高功率密度和較長的使用壽命等優點，一直是研究學者們重點關注的對象[9-10]。電極、隔膜、電解質和集流體是構成器件的主要元件[11]。其中，電極是超級電容器的核心。此外，人們往往使用聚丙烯制備隔膜材料用于超級電容器中，但使用聚丙烯或者醫用口罩制備超級電容器電極的研究還鮮有報道。本文從廢棄醫用口罩中提取中間層的熔噴非織造布，經鍍銀處理后將活性炭均勻涂覆到其表面獲得電極，并組裝超級電容器器件，重點研究電極與器件的電化學性能，以期為廢棄醫用口罩高值化再利用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

一次性醫用口罩(耳掛式，中號，中間層為聚丙烯熔噴非織造布)，撫州市美年康醫療器械有限公司；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、無水乙醇(分析純，99.7%)、氫氧化鉀(KOH)、聚丙烯腈(PAN，相對分子質量為150 000)，上海阿拉丁試劑有限公司；聚偏氟乙烯(PVDF)黏結劑，東莞市塑大塑膠原料有限公司；導電炭黑(CB)、聚丙烯/聚乙烯復合水系隔膜，太原力之源鋰電有限公司；雙酚A型環氧樹脂，無錫樹脂廠；封閉型三聚氰胺固化劑，湖北康迪斯化工有限公司；乙二醇丁醚醋酸酯溶劑，江陰德先化工有限公司；去離子水，實驗室自制。

1.2 醫用口罩熔噴布預處理

為保證廢棄口罩熔噴布的安全性，對其進行預處理。首先用酒精消毒液對廢棄口罩進行滅菌處理，隨后將中間的聚丙烯熔噴非織造布從廢棄口罩中抽取出來，用無水乙醇反復洗滌3次，再用去離子水洗滌2次，最后放置烘箱中于60 ℃烘干。

將雙酚A型環氧樹脂、助劑(主要成分為固化劑和溶劑，二者質量比為1∶29)和銀粉按照質量比為 1∶3∶6 混合，攪拌均勻獲得銀漿。然后，制定篩網孔徑為60 μm的絲網印刷網板，用刮刀將銀漿從網板印刷到聚丙烯熔噴非織造布上，在60 ℃下烘烤40 min固化銀漿，得到銀漿/熔噴非織造布復合材料。

1.3 活性炭的制備

取一定質量的PAN粉末與DMF混合，在室溫下用磁力攪拌器攪拌12 h，獲得質量分數為10%的溶液，再將PAN溶液緩慢倒入4 mol/L的氫氧化鉀溶液中，浸泡6 h。隨后，使用無水乙醇/去離子水混合液(體積比為1∶1)洗滌至少3次，室溫下晾干得到堿性的PAN塊狀固體。將PAN固體放入GSL-1600X型管式爐中，在氮氣氣氛下直接炭化，炭化溫度為900 ℃，保持2 h得到PAN基活性炭材料。最后，使用去離子水對活性炭進行充分洗滌，并進行過濾、烘干。

1.4 熔噴布電極的制備與器件的組裝

1.4.1 活性材料的制備

將活性炭、CB、PVDF按照質量比為7∶2∶1混合，并放入瑪瑙研缽中充分研磨。隨后，取少量DMF滴加到瑪瑙研缽中，攪拌均勻得到黏稠狀的活性漿液。

1.4.2 電極的制備

將制備好的活性漿液均勻涂敷到銀漿/熔噴非織造布的銀漿層上得到熔噴非織造布電極材料，并裁剪成1 cm×1 cm的正方形，保持每片電極中活性材料的質量為1～2 mg。

1.4.3 超級電容器器件的組裝

將1片聚丙烯/聚乙烯復合水系隔膜置于中間，滴加2 mol/L的KOH水溶液(電解質)，充分潤濕后在隔膜上、下兩面各放置1片熔噴非織造布/活性炭電極片，組成對稱的三明治結構超級電容器，如圖1所示。

圖1 超級電容器結構示意圖

1.5 結構與性能表征

1.5.1 形貌觀察

使用SU1510型掃描電子顯微鏡對樣品的表面形貌進行觀察，并使用Nano Measurer軟件測量統計纖維的直徑。

1.5.2 化學結構測試

使用Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀表征樣品的化學結構，波數范圍為3 000～500 cm-1。

1.5.3 力學性能測試

采用HZ-1003B型萬能材料拉力試驗機測試得到樣品的應力-應變曲線，拉伸速率為10 mm/min。測試前將樣品裁剪成長為120 mm、寬為40 mm的長方形，厚度精確到0.01 mm。

1.5.4 比表面積和孔結構測試

使用Autosorb-iQ-C型全自動物理/化學吸附分析儀表征活性炭的比表面積和孔結構，并計算出活性炭的比表面積和孔結構參數。

1.5.5 石墨化晶體結構測試

通過D8 ADVANCE 型X射線衍射儀測試分析活性炭材料的石墨化晶體結構，其晶體尺寸根據Bragg和Scherrer公式[12]進行計算：

式中：d為晶面間距，nm；n為反射級數，取值1；λ為波長，取值0.154 06 nm；Lc為晶體厚度，nm；k為常數，取值0.89；β為半高寬；θ為衍射角，(°)。

采用XploRAPLUS型激光共焦掃描成像拉曼(Raman)光譜儀測試活性炭的石墨化程度，激發波長為532 nm，根據下式[13]計算石墨化程度ρ：

式中：ID為活性炭1 364 cm-1處D峰的強度；IG活性炭為1 581 cm-1處G峰的強度。

1.5.6 電化學性能測試

使用CS2350H型電化學工作站測試電極和器件的電化學性能。在三電極體系下，以2 mol/L的KOH水溶液為電解質，工作電極是熔噴非織造布電極，對電極為金屬鉑片(Pt)，參比電極為汞/氧化汞(Hg/HgO)，分別利用循環伏安法(CV)、恒電流充放電法(GCD)和交流阻抗法(EIS)測試電極的電化學性能，電壓范圍為-1～0 V，掃描速率為10～200 mV/s，電流密度為1～20 A/g，交流振幅為5 mV，頻率為0.01～10 000 Hz，根據GCD數據計算電極的比電容，計算公式為

式中：Cs為三電極體系下單電極的比電容，F/g；I為放電電流，A；Δt為放電時間，s；m為電極上活性材料的質量，g；ΔV為窗口電壓，V。

在二電極體系下，分別利用CV、GCD和EIS等方法測試了器件的電化學性能，電壓范圍為0～1 V，掃描速率為10～200 mV/s，電流密度為0.25～5 A/g，交流振幅為5 mV，頻率為0.01～10 000 Hz。比電容、功率密度和能量密度計算公式為

式中：Cd為器件的比電容，F/g；I為放電電流，A；Δt為放電時間，s；M為2個電極上活性材料的總質量，g；ΔV為窗口電壓，V；E為能量密度，W·h/kg；P為功率密度，W/kg。

采用CT2001A型電池測試設備，在電流密度為0.25 A/g下充放電10 000次，測試器件的循環穩定性。

2 結果與討論

2.1 結構與性能分析

2.1.1 形貌分析

圖2示出熔噴非織造布、表面鍍銀熔噴非織造布和熔噴非織造布電極的表面形貌。可以觀察到，熔噴非織造布由微米級的纖維無序堆積而成，表現出典型的非織造布的特點。其中，纖維直徑最大為5.27 μm，最小為1.35 μm，平均直徑為3.04 μm。在鍍銀后熔噴非織造布的表面出現均勻的金屬銀粒子，由于纖維表面吸附性能優異，銀粒子可很好地附著在纖維表面上。在此基礎上，將活性炭材料涂敷到熔噴非織造布的鍍銀層，熔噴非織造布電極表面出現塊狀物質，表明活性炭已經成功附著到纖維表面上。由圖2中彎折后的宏觀圖可知，熔噴非織造布、表面鍍銀熔噴非織造布和熔噴非織造布電極均表現出良好的柔性，為制備柔性電極提供了條件。

圖2 熔噴非織造布、表面鍍銀熔噴非織造布和熔噴非織造布電極的掃描電鏡和彎折后照片

2.1.2 化學結構分析

圖3示出熔噴非織造布、表面鍍銀熔噴非織造布和熔噴非織造布電極的紅外光譜曲線。可知，熔噴非織造布在2 951、2 918、2 869、2 837、1 458、1 376、1 167和971 cm-1處展現出明顯的吸收峰，分別對應—CH3不對稱伸縮振動峰、—CH2—不對稱伸縮振動峰、—CH3對稱伸縮振動峰、—CH2—對稱伸縮振動峰、—CH2—彎曲振動峰、—CH3對稱變形振動峰、—CH3面外搖擺振動峰和—CH3面內搖擺振動峰，這些峰均為聚丙烯的特征峰[14]。而鍍銀熔噴非織造布和熔噴非織造布電極樣品表面的這些特征峰消失，這是由于銀粒子和活性炭材料覆蓋在纖維表面削弱了峰值，導致特征峰無法被識別，說明銀粒子和活性炭材料已被成功地負載到熔噴非織造布表面。

圖3 熔噴非織造布、表面鍍銀熔噴非織造布和熔噴非織造布電極的紅外光譜

2.1.3 力學性能分析

圖4示出熔噴布、表面鍍銀熔噴布和熔噴布電極的應力-應變曲線。

圖4 熔噴非織造布、表面鍍銀熔噴非織造布和熔噴非織造布電極的應力-應變曲線

由圖4可知，熔噴非織造布斷裂時的最大應力為0.011 5 MPa，對應的應變為18.6%。經表面鍍銀處理后，熔噴非織造布斷裂時的最大應力增至0.012 5 MPa，而應變下降，僅為7.6%，這說明銀粒子的存在有助于熔噴非織造布力學性能的提升，但會導致其柔韌性下降。熔噴非織造布電極斷裂時最大應力為0.013 2 MPa，應變和表面鍍銀熔噴非織造布(7.7%)相當。以上結果表明，鍍銀和涂敷活性炭材料對熔噴非織造布的力學性能具有影響。經過鍍銀處理后熔噴非織造布的厚度增加，在纖維表面覆蓋了一層銀顆粒，金屬銀具有較好的延展性，導致表面鍍銀熔噴非織造布和熔噴非織造布電極斷裂時的最大應力大于熔噴非織造布。

2.1.4 活性炭孔結構分析

圖5示出活性炭的氮氣吸附-脫附曲線和孔徑分布曲線。可知，本文制備的PAN基活性炭展現出優異的吸附性能，其孔徑分布在0.5～5 nm范圍內，具有多孔結構。通常孔徑小于2 nm的孔被稱為微孔，2～50 nm的孔被稱為介孔，大于50 nm的孔被稱為大孔。可以說明本文制備的活性炭具有微-介孔結構。根據不同方法(BET、DFT、BJH、SF)計算的活性炭孔結構參數得到，活性炭的比表面積高達1 031 m2/g，總孔體積為0.65 cm3/g，介孔和微孔體積分別為0.15和0.50 cm3/g，平均孔徑為2.7 nm。活性炭材料優異的孔結構對電極的電化學性能具有重要影響。其中，高比表面積有利于增加電極與電解質之間的接觸面積，微孔的存在可提升電極材料儲存離子的能力，介孔可提供有利于離子透過的通道，孔結構的協同作用有益于電化學性能的提升。

注：V為孔體積；D為孔徑；dV/dD為孔體積隨孔徑的變化率。

2.1.5 活性炭晶體結構分析

圖6示出活性炭的XRD譜圖和Raman光譜圖。由圖6(a)可知，在XRD譜圖中2θ=26°處觀察到1個明顯的(002)衍射峰，說明活性炭具有石墨型晶體結構。分別由Bragg和Scherrer公式得出活性炭的晶面間距(d=0.401 nm)和晶體厚度(Lc=1.35 nm)。如此小的晶面間距和晶體厚度證明本文制備的活性炭具有優異的石墨化晶體結構。

圖6 活性炭的XRD譜圖和Raman光譜圖

在Raman光譜圖中可以觀察到D(1 364 cm-1)和G(1 581 cm-1)2個特征峰，分別代表缺陷無序和sp2雜化碳原子結構。用D峰與G峰強度的比值計算活性炭的炭化程度(ρ)為0.87，該比值小于1，說明所制備的PAN基活性炭具有優異的炭化程度。結合XRD測試結果可以發現，PAN基活性炭材料具有優異的石墨化程度，石墨化程度越高其導電性越好[15]，因此，當其作為電極時，高導電性可加速電子的傳導，更有利于電化學性能的提升。

2.2 電化學性能分析

2.2.1 電極的電化學性能分析

圖7(a)示出電極在不同掃描速率下的CV曲線。可觀察到，電極的CV曲線呈現類矩形，表明該電極具有雙電層儲能特性。當掃描速率為10 mV/s時，CV曲線矩形面積最小，隨著掃描速率的增加，CV曲線的矩形面積增大；當掃描速率增大到 200 mV/s 時，仍保持著類矩形的特征形狀，說明該電極具有良好的電化學穩定性。

圖7(b)示出電極在1～20 A/g下的GCD曲線。可以看出，GCD曲線展現出線性對稱特征，反映出該電極具有良好的充放電可逆性。在1 A/g下，電極的放電時間長達298 s，比電容高達298 F/g。高比電容歸因于活性炭材料高比表面積、優異的孔結構和石墨化結晶結構。

圖7(c)示出電極的倍率性能曲線。電極的保持率為高電流密度下電極的比電容與低電流密度下電極比電容的比值。由圖7計算得出：電流密度為 10 A/g 時比電容為241 F/g，電極保持率高達81%；而當電流密度為20 A/g時比電容為224 F/g，仍能保持75%，展現出優異的倍率性能。說明本文制備的電極具有良好的電容保持能力。優異的倍率性能主要來自電極材料良好的導電性，可加速電子的快速傳導。

圖7 電極的CV曲線、GCD曲線和倍率性能曲線

圖8示出電極的交流阻抗圖譜。高頻區域內半圓的直徑反映電解質與電極之間的阻力，稱為電荷轉移內阻(Rct)，實軸上截距表示等效串聯內阻(Rs)。由圖8可知，電極的Rct和Rs較小，分別為0.86和0.15 Ω，低內阻可降低充放電過程中的能量損耗，減輕電源發熱，使電容運行更穩定，提高使用安全性。

圖8 電極的交流阻抗圖譜

2.2.2 超級電容器器件的電化學性能分析

圖9(a)示出超級電容器器件在10～200 mV/s掃描速率下的CV曲線。可以看出，與電極材料的CV曲線相似，器件的CV曲線也呈現出類矩形特征。圖9(b)示出器件在0.25～5 A/g電流密度下的GCD曲線，其呈現出正三角的GCD曲線特征。經計算得到，電流密度為0.25 A/g時，器件的比電容為70 F/g。圖9(c)示出器件的倍率性能曲線，在2 A/g下比電容保持率高達86%，而在5 A/g下仍有接近80%的比電容保持率，表明器件具有良好的倍率特性。

圖9 器件的CV曲線、GCD曲線和倍率性能曲線

圖10(a)示出超級電容器器件的交流阻抗圖譜。可知，器件具有較小的內阻，為0.56 Ω。為研究器件的循環穩定性能，采用電池測試設備在0.25 A/g下連續充放電10 000次，測試結果如圖10(b)所示。可知，當充放電次數高達10 000次時，器件的比電容保持率仍高達99.8%，展現出超長的使用壽命。此外，分別計算器件的能量密度與功率密度(見圖11)。可知：當功率密度為125 W/kg時，器件具有最大的能量密度，為9.7 W·h/kg；且能量密度隨功率密度的增加而降低，當功率密度增加到2 500 W/kg時，器件的能量密度則減小至7.6 W·h/kg。