聚丙烯腈/纤维素纳米复合纤维的碳纤维
作者：张慧斌，罗家辉，刘志强，张松林，金桂玉，梁启超，库马尔出版社：Elsevier
出版社：Elsevier
日期：2019年4月(2019年4月)Elsevier有限公司。版权所有。
研究亮点：聚丙烯腈(pan)纤维含有40 wt%的纤维素纳米晶(CNC)，已成功地稳定并炭化成碳纤维。PAN/CNC系统可以制备两相碳纤维。
摘要：本研究采用高CNC含量(10%、20%和40 wt%)的聚丙烯腈纤维进行稳定化和炭化，制得碳纤维。稳定化过程中的结构，热和力学性能碳化过程进行了系统的研究和报道。
用热重分析(TGA)研究了拉伸比对PAN纤维热稳定过程的影响，给出了PAN和PAN/cnc-10纤维在拉伸比分别为4x和23x的曲线 。
图1. 空气中纤维在空气中的TGA曲线加热速率5°C/min。(A)不同拉伸比的PAN纤维；(B)不同拉伸比的PAN/CNC-10纤维；(C)拉伸比为23的不同CNC浓度的纤维。
热稳定：采用差示扫描量热法(DSC)研究了PAN和PAN/CNC纤维在空气中的拉伸比为23时的热稳定过程。
图2. (A)PAN和(B)PAN/cnc-40纤维在空气中的DSC曲线加热速率20℃/min。
热收缩行为：用热机械分析仪(TMA)测定了PAN和PAN/CNC复合纤维在空气中温度为5°C/min，升温速率为30~200°C时的热收缩行为。
图3. PAN和PAN/CNC纤维在空气中拉伸比为23的TMA曲线。(A)25 MPa应力下的收缩行为；(B)0.3%等应变下纤维的应力变化。与控制聚丙烯腈纤维相比，其中只有结晶性PAN区限制了非晶链的自由弛豫，复合纤维中的高结晶CNCS对非晶态PAN分子施加了附加的约束。因此，PAN/CNC复合纤维的热收缩率低于控制PAN纤维。CNCS负荷越高，热收缩越小
为了研究碳纳米管对纤维结构的影响，对碳化纤维进行了表征。
图4. 拉曼光谱在1300°C(A)PAN，(B)PAN/CNC-10，(C)PAN/CNC-20，(D)PAN/CNC-40，PAN/CNC-20，(D)PAN/CNC-40下，PAN和PAN/CNC纤维的拟合曲线
综合WAXD扫描前体，稳定和碳纤维显示在图5。与前驱体纤维和稳定化纤维相比，炭化纤维在2θ≈2 6°和∼43°处分别出现两个明显的峰，分别为(0 0 2)和(10 0)(10 1)面的碳结构。
图5. (A)PAN和(B)PAN/CNC-40的前体、稳定纤维和碳化纤维(1000℃)的综合WAXD扫描
碳纤维横截面的扫描电镜图像如图6。由pan、pn/cnc-10和pan/cnc-20制成的碳纤维显示出坚实的横截面，而pan/cnc-40基碳纤维则显示出可观察尺寸为50-100 nm的空洞。
图6. 1300°C(a-b)PAN，(c-d)PAN/CNC-10，(e-f)PAN/CNC-20和(g-h)PAN/CNC-40基纤维截面的扫描电镜图像碳纤维。
微结构稳定碳化PAN/CNC-20纤维：用高分辨透射电镜对其进行了表征。微结构稳定碳化PAN/CNC-20纤维。当PAN/CNC-20纤维在空气中稳定后，横向尺寸在10-30 nm范围内的小亮区分别分布在相对暗的基体中。炭化后，由PAN和CNCS转化而来的碳呈现出两个明显的稳定化和碳化区域。图7c和f.由于不同化学反应途径在PAN和CNC转化为碳的过程中，由于这两种原料的形貌不同，所得到的两种碳微结构是不同的。与炭化PAN/碳纳米管纤维不同，碳纤维在碳纳米管附近表现出石墨模板化行为。25]，碳化PAN/CNC纤维呈两相碳结构(图7(F)。
图7. 具有代表性的稳定(a-c)和碳化(d-f)PAN/CNC-20纤维的TEM图像
结论碳纤维成功地聚丙烯腈含10%、20%和40%的(聚丙烯腈)纤维纤维素纳米晶(CNCS)。在PAN基体中加入CNCS对空气稳定过程中的热动力学有一定的影响。CNCS浓度和温度等工艺参数决定了PAN/CNC基碳纤维的性能。炭化PAN/CNC纤维具有可比性抗拉强度和拉伸模量对于聚丙烯腈基碳纤维，基于批处理。基于高分辨透射电镜(TEM)，在稳定纤维和炭化纤维中均观察到由PAN基碳区包围的单独分散的CNCS基结构。本研究表明了制备双相碳纤维的潜力。
