同轴静电纺丝参数对聚丙烯腈中空碳纳米纤维形态与炭化收率的影响

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1、同轴静电纺丝参数对聚丙烯腈中空碳纳米纤维形态与炭化收率的影响刘高华麵a»«天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室天津工业大学纺织学院为制备可实用聚丙烯腈（PAN）中空碳纳米纤维，考察了同轴静电场施加方式、芯层组分及芯层针头直径对PAN碳纳米纤维中空结构的稳定形成及其炭化收率的影响。实验结果表明：芯层组分会影响PAN纳米纤维壳-芯结构及艽碳纳米纤维屮空结构的形成，静电场施加方式和芯层针头直径的影响不大。扫描电子显微镜观察结果显示，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶液或甲基硅油为芯层的PAN碳纳米纤维横截面呈明显的中空结构，以聚乙烯毗咯烷酮（PVP）溶液或空气为

2、芯层时则呈实芯结构。以PMMA溶液为芯层时，由于芯层与壳层PAN具有相同的溶剂二甲基甲酰胺却又互不相溶，因而PAN纳米纤维能稳定形成壳-芯结构it壳-芯界面相容性好，炭化后的PAN屮空碳纳米纤维表面形态最好，屮空结构较为规则，炭化收率为28%31%。关键词：冋轴静电纺丝;聚丙烯腈;壳-芯结构;中空碳纳米纤维;炭化收率;主要研究方向为碳纳米纤维的制备。posites，MinistryofEducation，TianjinPolytechnicUniversity;SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity;Abstr

3、act：Inordertopreparepracticablepolyacrylonitrile(PAN)hollowcarbonnanofibers,effectsofelectrostaticfieldmodes,corecomponentsandcoreneedlediametersinthePANcoaxialelectrospinningprocessonthehollowstructureformingofthepolyacrylonitrilecarbonnanofibersancltheircarbonizationyieldsweresyste

4、maticallystudied.Theexperimentalresultsshowthatthecorecomponentsinfluencethesheath-coreformingofthePANnanofibersandhollowstructureformingoftheirPANcarbonnanofibers,buttheelectrostaticfieldmodesandcoreneedlediametersarcinsignificant.Scanningelectronmicroscopicresultsshowthatthecrossse

5、ctionsofthePANcarbonnanofiberswiththepolymethylmethacrylate(PMMA)solutionormethylsiliconeoilascorearehollow,andthosewiththepolyvinylpyrrolidone(PVP)solutionorairascorearesolid.WhenthePMMAsolutionisusedascore,thePANnanofibersshowthesheath-corestructureswithgoodinterfacecompatibilitybe

6、causethesheathandcorehavethesamesolventofandareimmiscible,theabtainedPANhollowcarbonnanofiberspossessthebestsurfacemorphologyandregularhoilowstructureandthecarbonizationyieldis28%-31%.Keyword：coaxialelectrospinning;polyacrylonitrile;sheath-corestructure;hollowcarbonstructure;carboniz

7、ationyield;同轴静电纺丝是在传统静电纺丝的基础上，采用同轴双针喷头连续制备壳-芯结构纳米纤维的新型静电纺丝技术。将同轴静电纺丝技术制备的壳-芯纳米纤维釆用特殊方法除去芯层后得到中空纳米纤维。以聚丙烯腈（PAN）为壳层组分，以低熔点组分为芯层，利用同轴静电纺丝技术制备PAN壳-芯纳米纤维，再经高温热处理，使芯层组分经热裂解而保留体积空间，壳层PAN转变成乱层石墨碳结构，得到PAN中空碳纳米纤维。PAN中空碳纳米纤维特有的中空结构不仅可使其比表面积进一步增大，还可为催化反应、质子迁移提供通道，在催化剂载体［卜3］、电极材料［4-6］、电容器［7-8］、过滤

8、材料［9-10］、吸附材