一种同轴静电纺丝制备聚丙烯腈基多孔中空碳纤维的方法

摘要

本发明公开了一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法，该方法包括以下步骤：将聚丙烯腈与添加物混合，为外层溶液；取内层聚合物为内层溶液；将外层溶液和内层溶液以恒定的流速和流速比分别输入到同轴针头的外层和内层，进行静电纺丝，得到PAN基皮芯复合纤维；将PAN基皮芯复合纤维洗涤、预氧化和碳化之后，得到PAN基多孔中空碳纤维。本发明制备的PAN基多孔、中空碳纤维结合了原来单一的要么仅多孔要么仅中空的碳纤维的结构特征，能够更大幅度地增加纤维的比表面积，提高材料的使用效率。本发明制备的PAN基多孔、中空碳纤维，在气体吸附应用上，可以使气体更加容易地进入纤维的中空部位，提高了吸附能力，降低了吸附所需的时间。

说明书

技术领域

本发明属于化学纤维材料领域，具体涉及一种PAN基碳纤维的制备方法， 特别涉及一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法。

背景技术

碳纤维是有机纤维或低分子烃气体原料经碳化处理后形成的纤维状碳材 料，碳含量在90%以上，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐化学腐蚀、 低电阻、高热导、低热膨胀和耐辐射等优良特性，还具有良好的柔曲性，在宇 航工业、航空工业、交通运输、体育运动器材等领域有广泛的应用。

随着纳米技术的发展，碳超细或纳米纤维受到了广泛的关注，由于碳超细 纤维不仅具有上述碳纤维的优良特性，而且其比表面积非常大，碳超细或纳米 纤维在催化剂载体、储氢材料、高效吸附材料，聚合物增强剂等方面有了新的 应用。

制备碳超细纤维的方法有气相沉积法和静电纺丝法，气相沉积法比较费时 费力，生产效率低，静电纺丝法是一种有效、简单的方法，所制备的碳纤维连 续，尺寸分布均匀。

近十年来，同轴静电纺丝技术作为传统静电纺丝技术的改进，不仅可以制 备直径为几十个纳米到几个微米范围内的超细纤维，更能扩大原材料的选择范 围，而且这种超细纤维具有皮芯结构，可得到多功能的纤维。自2003年Sun等 人提出同轴静电纺丝技术以来，它已经取得了突飞猛进的发展，同轴静电纺丝 纳米纤维在光学，电学，环保以及生物应用领域得到了广泛应用。

国内外研究学者报道了借助于静电纺丝技术制备聚丙烯腈基纳米纤维，主 要集中在三个方面，一是利用传统静电纺丝不加其它添加剂直接制备聚丙烯腈 基碳纤维；二是利用共混静电纺丝技术纺丝聚丙烯腈与其它添加剂的共混溶液， 最终得到聚丙烯腈基多孔碳纤维；三是利用同轴静电纺丝技术制备聚丙烯腈基 中空碳纤维。

上述三种方法都是利用静电纺丝原理，首先制备得到PAN基超细纤维，经 后期处理，可得到PAN基超细碳纤维，相对于常规碳纤维，这种超细碳纤维的 比表面积成千倍增加。然而，传统静电纺丝方法只能得到密实的碳纤维，该碳 纤维在用于储氢材料时，氢气只能存在于纤维间形成的空隙中；共混静电纺丝 方法能够得到多孔的碳纤维，碳纤维的比表面积进一步增大，孔的大小和分布 随着添加剂的变化而变化，但是，这种碳纤维本身尺寸非常细，因此孔径不会 太大，一般低于50纳米，碳纤维的比表面积增加有限；同轴静电纺丝方法可以 得到中空的碳纤维，在碳纤维内部存在中空结构，这不仅提高了碳纤维的比表 面积，也可以提高碳纤维使用的稳定性，如用于储氢材料，氢气可以进入碳纤 维的内部，提高了储氢的稳定性，但是，由于这种中空碳纤维是一种连续的纤 维，在储氢或用于增强剂时往往需要较长的时间达到碳纤维较高的使用效率。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种同轴静 电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法。

本发明的另一目的在于提供由上述方法制备得到的PAN基多孔中空碳纤 维，该碳纤维同时具有多孔、中空结构，比表面积大，材料使用效率高。

本发明的目的在于提供上述的PAN基多孔中空碳纤维的用途。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法，包括以下步骤：

（1）将聚丙烯腈与添加物混合，加入溶剂，搅拌均匀，为外层溶液；将内 层聚合物搅拌均匀，为内层溶液；

（2）将外层溶液和内层溶液以恒定的流速和流速比分别输入到同轴针头的 外层和内层，同时将同轴针头连接高压静电发生器进行静电纺丝，纺出的纤维 用接收装置接收，得到PAN基皮芯复合纤维；

（3）将PAN基皮芯复合纤维置于溶剂中洗涤，以除去复合纤维皮层中的 添加物和芯层中的杂质，得到PAN多孔中空纳米纤维；

（4）在空气或氧气中，将PAN多孔中空纳米纤维升温至200-300℃，预氧 化1h，然后自然冷却至室温，得到预氧化的PAN多孔中空纳米纤维；

（5）在氮气中，将预氧化的PAN多孔中空纳米纤维升温至700-1200℃， 保持1-2h，然后自然冷却至室温，得到PAN基多孔中空碳纤维；

步骤（1）所述搅拌的转速为15-100rpm；

步骤（1）所述的添加物为聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚 甲基丙烯酸甲酯或醋酸纤维素中的一种以上；

步骤（1）中，PAN与添加物的质量比为(1-9):1，外层溶液中PAN和添加物 的总质量分数为10-40%；

步骤（1）中，外层溶液中的溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或二甲基 亚砜中的一种以上；

步骤（1）所述的内层聚合物为二甲基硅油、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、 聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或醋酸纤维素中的一种；

当步骤（1）所述的内层聚合物为聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚氧化乙 烯、聚甲基丙烯酸甲酯或醋酸纤维素中的一种时，配制内层溶液时需要加入溶 剂，内层溶液中内层聚合物的质量分数为2-30%；所述的溶剂为丙酮、四氢呋喃、 二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或氯仿中的一种以上；

步骤（2）中，内外层溶液的流速比为1:(1-10)，总供液速率为0.3-6ml/h， 高压静电发生器的电压为8-30千伏；

步骤（2）所述的接收装置为铝箔、铜网、锡箔或织物；同轴针头与接收装 置之间的水平距离为10-25cm；

步骤（3）所述的溶剂为水、石油醚、丙酮、氯仿或乙二醇中的一种；

步骤（4）所述升温的速率为5℃/min；

步骤（5）所述升温的速率为10℃/min。

由上述方法制备得到的PAN基多孔中空碳纤维同时具有多孔、中空结构， 外径和中空直径在亚微米级，孔径在纳米级，比表面积大，材料使用效率高；

所述的PAN基多孔中空碳纤维，外径为120-900nm，中空直径为40-200nm， 孔径为5-50nm。

上述的PAN基多孔中空碳纤维，由于具有多孔中空结构，可以作为催化剂 载体、电极材料、高效吸附剂、储氢材料以及高分子材料的增强剂。

本发明的基本原理是：利用PAN与添加物的相分离原理，利用同轴静电纺 丝技术来制备PAN基皮芯复合纤维，经后期处理，得到外径和中空直径在亚微 米级以及孔径在纳米级的超细纤维。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明的方法结合了共混静电纺丝和前述同轴静电纺丝的优点，所制 备的PAN基多孔、中空碳纤维结合了多孔碳纤维和中空碳纤维的结构特征，能 够更大幅度地增加纤维的比表面积，提高材料的使用效率。

（2）本发明制备的PAN基多孔中空碳超细纤维直径、孔径和中空内径可控、 比表面积大，制备方法简单、易行，实用前景好。

（3）本发明制备的PAN基多孔、中空碳纤维，在气体吸附应用上，可以使 气体更加容易地进入纤维的中空部位，提高了吸附能力，降低了吸附所需的时 间。

附图说明

图1是实施例5中PAN多孔中空超细纤维的SEM照片。

图2是实施例5中预氧化的PAN多孔中空超细纤维的SEM照片。

图3是实施例5中PAN多孔中空超细碳纤维的SEM照片。

图4是实施例6中PAN多孔中空超细纤维的SEM照片。

图5是实施例6中PAN多孔中空超细纤维的TEM照片。

图6是实施例6中预氧化的PAN多孔中空超细纤维的SEM照片。

图7是实施例6中PAN多孔中空超细碳纤维的SEM照片。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式 不限于此。

实施例1

一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法，包括以下步骤：

（1）在25℃下，将3.6g PAN、0.4g聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）以转速15rpm 搅拌溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌至固体全部溶解，溶液呈无色透明液体， 得到总质量分数为20wt%的PAN/PVP溶液（PAN:PVP=9:1 wt/wt），该溶液作为 外层溶液。以纯二甲基硅油作为内层溶液。

（2）在25℃下，将配制的PAN/PVP溶液和二甲基硅油分别以1.85ml/h和 1ml/h的流速输入到同轴针头的外层和内层，同时将同轴针头连接到18千伏的 高压静电发生器，用锡箔接收纤维，接收间距为15cm，即得PAN基皮芯复合纤 维。纤维的平均直径为1702nm。

（3）将这种PAN基皮芯复合纤维用石油醚处理3遍，干燥后在用蒸馏水处 理3遍，干燥后即得PAN多孔中空超细纤维。纤维的平均直径为1702nm，孔 径为20nm，中空直径为500nm。

（4）在空气中，将PAN多孔中空超细纤维从室温以5℃/min升温至250℃， 并在250℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到预氧化的PAN多孔中 空超细纤维。纤维的平均直径为1300nm，孔径为15nm，中空直径为310nm。

（5）在氮气中，将预氧化的PAN多孔中空超细纤维从室温以10℃/min升 温至900℃，并在900℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到PAN基多 孔中空超细碳纤维。碳纤维的平均直径为900nm，孔径为5nm，中空直径为 155nm。

实施例2

一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法，包括以下步骤：

（1）在25℃下，将2.8g PAN、1.2g聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）以转速15rpm 搅拌溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌至固体全部溶解，溶液呈无色透明液体， 得到总质量分数为20wt%的PAN/PVP溶液（PAN:PVP=7:3wt/wt），该溶液作为 外层溶液。以纯二甲基硅油作为内层溶液。

（2）在25℃下，将配置的PAN/PVP溶液和二甲基硅油分别以1.85ml/h和 1ml/h的流速输入到同轴针头的外层和内层，同时将同轴针头连接到17千伏的 高压静电发生器，用锡箔接收纤维，接收间距为15cm，即得PAN基皮芯复合纤 维。纤维的平均直径为360nm。

（3）将这种PAN基复合纤维用石油醚处理3遍，干燥后在用蒸馏水处理3 遍，干燥后即得PAN多孔中空超细纤维。纤维的平均直径为360nm，孔径为 20nm，中空直径为150nm。

（4）在空气中，将PAN多孔中空超细纤维从室温以5℃/min升温至250℃， 并在250℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到预氧化的PAN多孔中 空超细纤维。纤维的平均直径为300nm，孔径为15nm，中空直径为100nm。

（5）在氮气中，将预氧化的PAN多孔中空超细纤维从室温以10℃/min升 温至900℃，并在900℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到PAN基多 孔中空超细碳纤维。碳纤维的平均直径为250nm，孔径为10nm，中空直径为 155nm。

实施例3

一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法，包括以下步骤：

（1）在25℃下，将2.0g PAN、2.0g聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）以转速15rpm 搅拌溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌至固体全部溶解，溶液呈无色透明液体， 得到总质量分数为20wt%的PAN/PVP溶液（PAN:PVP=5:5wt/wt），该溶液作为 外层溶液。以纯二甲基硅油作为内层溶液。

（2）在25℃下，将配置的PAN/PVP溶液和二甲基硅油分别以1.85ml/h和 1ml/h的流速输入到同轴针头的外层和内层，同时将同轴针头连接到16.5千伏的 高压静电发生器，用锡箔接收纤维，接收间距为15cm，即得PAN基皮芯复合纤 维。纤维的平均直径为210nm。

（3）将这种PAN基复合纤维用石油醚处理3遍，干燥后在用蒸馏水处理3 遍，干燥即得PAN多孔中空超细纤维。纤维的平均直径为200nm，孔径为20nm， 中空直径为70nm。

（4）在空气中，将PAN多孔中空超细纤维从室温以5℃/min升温至250℃， 并在250℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到预氧化的PAN多孔中 空超细纤维。纤维的平均直径为170nm，孔径为15nm，中空直径为60nm。

（5）在氮气中，将预氧化的PAN多孔中空超细纤维从室温以10℃/min升 温至900℃，并在900℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到PAN基多 孔中空碳超细纤维。碳纤维的平均直径为120nm，孔径为10nm，中空直径为 40nm。

实施例4

一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法，包括以下步骤：

（1）在25℃下，将3.6g PAN、0.4g聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）以转速15rpm 搅拌溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌至固体全部溶解，溶液呈透明液体，得 到总质量分数为20wt%的PAN/PVP溶液（PAN:PVP=5:5wt/wt），该溶液作为外 层溶液。

在25℃下，将0.5g聚乙二醇（PEG）以转速15rpm搅拌溶解在二甲基甲酰 胺和氯仿的混合溶剂中（两者的体积比为3:1），搅拌至固体全部溶解，溶液呈 透明液体，得到质量分数为5wt%的PEG溶液，该溶液作为内层溶液。

（2）在25℃下，将配置的PAN/PVP溶液和PEG溶液分别以1.85ml/h和 1ml/h的流速输入到同轴针头的外层和内层，同时将同轴针头连接到16.5千伏的 高压静电发生器，用锡箔接收纤维，接收间距为15cm，即得PAN基皮芯复合纤 维。纤维的平均直径为1000nm。

（3）将这种PAN基复合纤维用蒸馏水处理3遍，干燥后即得PAN多孔中 空超细纤维。纤维的平均直径为983nm，孔径为20nm，中空直径为300nm。

（4）在空气中，将PAN多孔中空超细纤维从室温以5℃/min升温至250℃， 并在250℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到预氧化的PAN多孔中 空超细纤维。纤维的平均直径为990nm，孔径为18nm，中空直径为280nm。

（5）在氮气中，将预氧化的PAN多孔中空超细纤维从室温以10℃/min升 温至900℃，并在900℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到PAN基多 孔中空超细碳纤维。碳纤维的平均直径为764nm，孔径为15nm，中空直径为 200nm。

实施例5

一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法，包括以下步骤：

（1）在25℃下，将2.0g PAN、2.0g聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）以转速15rpm 搅拌溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌至固体全部溶解，溶液呈透明液体，得 到总质量分数为20wt%的PAN/PVP溶液（PAN:PVP=5:5wt/wt），该溶液作为外 层溶液。

在25℃下，将0.5g聚乙二醇（PEG）以转速15rpm搅拌溶解在二甲基甲酰 胺和氯仿的混合溶剂中（两者的体积比为3:1），搅拌至固体全部溶解，溶液呈 透明液体，得到质量分数为5wt%的PEG溶液，该溶液作为内层溶液。

（2）在25℃下，将配置的PAN/PVP溶液和PEG溶液分别以1.85ml/h和 1ml/h的流速输入到同轴针头的外层和内层，同时将同轴针头连接到16.5千伏的 高压静电发生器，用锡箔接收纤维，接收间距为15cm，即得PAN基皮芯复合纤 维。纤维的平均直径为820nm。

（3）将这种PAN基复合纤维用蒸馏水处理3遍，干燥后即得PAN多孔中 空超细纤维。如图1所示，纤维的平均直径为800nm，孔径为120nm，中空直 径为280nm。

（4）在空气中，将PAN多孔中空超细纤维从室温以5℃/min升温至250℃， 并在250℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到预氧化的PAN多孔中 空超细纤维。如图2所示，纤维的平均直径为780nm，孔径为80nm，中空直径 为240nm。

（5）在氮气中，将预氧化的PAN多孔中空超细纤维从室温以10℃/min升 温至900℃，并在900℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到PAN基多 孔中空超细碳纤维。如图3所示，碳纤维的平均直径为612nm，孔径为50nm， 中空直径为180nm。

实施例6

一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法，包括以下步骤：

（1）在25℃下，将3.6g PAN、0.4g聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）以转速15rpm 搅拌溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌至固体全部溶解，溶液呈透明液体，得 到总质量分数为15wt%的PAN/PVP溶液（PAN:PVP=9:1 wt/wt），该溶液作为外 层溶液。

在25℃下，将0.5g聚乙二醇（PEG）以转速15rpm搅拌溶解在二甲基甲酰 胺和氯仿的混合溶剂中（两者的体积比为3:1），搅拌至固体全部溶解，溶液呈 透明液体，得到质量分数为5wt%的PEG溶液，该溶液作为内层溶液。

（2）在25℃下，将配置的PAN/PVP溶液和PEG溶液分别以1.85ml/h和 1ml/h的流速输入到同轴针头的外层和内层，同时将同轴针头连接到16.5千伏的 高压静电发生器，用锡箔接收纤维，接收间距为15cm，即得PAN基皮芯复合纤 维。纤维的平均直径为401nm。

（3）将这种PAN基复合纤维用蒸馏水处理3遍，干燥后即得PAN多孔中 空超细纤维。如图4和图5所示，纤维的平均直径为390nm，孔径为80nm，中 空直径为100nm。

（4）在空气中，将PAN多孔中空超细纤维从室温以5℃/min升温至250℃， 并在250℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到预氧化的PAN多孔中 空超细纤维。如图6所示，纤维的平均直径为410nm，孔径为70nm，中空直径 为97nm。

（5）在氮气中，将预氧化的PAN多孔中空超细纤维从室温以10℃/min升 温至900℃，并在900℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到PAN基多 孔中空超细碳纤维。如图7所示，碳纤维的平均直径为310nm，孔径为30nm， 中空直径为50nm。

实施例7

一种同轴静电纺丝制备PAN基多孔中空碳纤维的方法，包括以下步骤：

（1）在25℃下，将2.0g PAN、2.0g聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）以转速15rpm 搅拌溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌至固体全部溶解，溶液呈透明液体，得 到总质量分数为15wt%的PAN/PVP溶液（PAN:PVP=5:5wt/wt），该溶液作为外 层溶液。

在25℃下，将0.5g PVP以转速15rpm搅拌溶解在二甲基甲酰胺和丙酮的混 合溶剂中（两者的体积比为1:1），搅拌至固体全部溶解，溶液呈透明液体，得 到质量分数为5wt%的PVP溶液，该溶液作为内层溶液。

（2）在25℃下，将配置的PAN/PVP溶液和PVP溶液分别以1.85ml/h和 1ml/h的流速输入到同轴针头的外层和内层，同时将同轴针头连接到16.5千伏的 高压静电发生器，用锡箔接收纤维，接收间距为15cm，即得PAN基皮芯复合纤 维。纤维的平均直径为190nm。

（3）将这种PAN基复合纤维用蒸馏水处理3遍，干燥后即得PAN多孔中 空超细纤维。纤维的平均直径为178nm，孔径为30nm，中空直径为60nm。

（4）在空气中，将PAN多孔中空超细纤维从室温以5℃/min升温至250℃， 并在250℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到预氧化的PAN多孔中 空超细纤维。纤维的平均直径为203nm，孔径为29nm，中空直径为57nm。

（5）在氮气中，将预氧化的PAN多孔中空超细纤维从室温以10℃/min升温 至900℃，并在900℃保持1小时，然后自然冷却至室温，最终得到PAN基多孔 中空碳超细纤维。碳纤维的平均直径为145nm，孔径为20nm，中空直径为50nm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施 例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。