摘要：采用靜電紡絲法制備了不同黏均分子質(zhì)量(Mη)的聚丙烯腈(PAN)超細(xì)纖維氈，并通過280℃ 預(yù)氧化和900℃碳化進(jìn)一步制備超細(xì)碳纖維氈。討論了Mη對纖維制備的影響，發(fā)現(xiàn)PAN的Mη大于 3×105則不利于靜電紡絲，小于5×104則纖維氈發(fā)脆，無法進(jìn)一步加工處理成碳纖維氈。用場發(fā)射掃描 電鏡、紅外光譜、X-射線衍射對纖維氈進(jìn)行表征，結(jié)果表明：隨著PAN相對分子質(zhì)量的升高，碳纖維的直徑和得率增大。此外，抗拉強(qiáng)度測試表明：隨著相對分子質(zhì)量的增大，超細(xì)碳纖維氈的抗拉強(qiáng)度增加。
關(guān)鍵詞：PAN；超細(xì)碳纖維氈；預(yù)氧化；碳化；抗拉強(qiáng)度
超細(xì)碳纖維是一種新型的碳材料，它的尺寸 小于常規(guī)碳纖維（直徑約為7~10μm），可達(dá)到納 米級別。超細(xì)碳纖維物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，比表面積 大，導(dǎo)電性能優(yōu)異。目前對超細(xì)碳纖維的應(yīng)用探索 主要在催化劑載體、電極材料、高效吸附劑、儲氫 材料、聚合物增強(qiáng)劑等方面[1-3]。
制備超細(xì)碳纖維主要有基體法、噴淋法和氣 相生長法3種傳統(tǒng)方法，其中氣相生長法應(yīng)用最廣 泛，但這些方法不能制備連續(xù)的超細(xì)碳纖維。目前 制備超細(xì)纖維通常采用高壓靜電紡絲的方法。該方 法由美國人Formals在1934年申請專利[4]。1966年， Simons[5]申請了由靜電紡絲法制備超薄、超輕非 織造布織物的專利。
聚丙烯腈（PAN）基碳纖維在碳纖維用量中占 有相當(dāng)大的比重[6]。電紡絲制得PAN的超細(xì)碳纖 維具有連續(xù)、密實、直徑分布均勻等特點。近年， Young[7]等用靜電紡絲制得具有較好電化學(xué)特性的PAN超細(xì)纖維膜。Wang等[8,9]用PAN/DMF溶液電 紡制備了直徑在50~400 nm之間的超細(xì)碳纖維。但 是目前研究制備超細(xì)碳纖維大都選用相對分子質(zhì)量 較低的PAN（小于10萬），對超細(xì)纖維的強(qiáng)度也鮮 有研究。事實上盡管理論上超細(xì)碳纖維的計算強(qiáng)度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)上現(xiàn)已商業(yè)化的碳纖維，但它的實際 強(qiáng)度很低[10]，不利于后續(xù)的應(yīng)用。作為高效吸附 材料活性碳纖維的前軀體，超細(xì)碳纖維的強(qiáng)度對后 續(xù)的活化以及應(yīng)用影響很大。
本論文通過靜電紡絲、預(yù)氧化、碳化制備了不 同黏均分子質(zhì)量（M）η的PAN基超細(xì)碳纖維氈， 分析了PAN相對分子質(zhì)量對超細(xì)碳纖維氈抗拉強(qiáng) 度、纖維直徑以及碳化得率的影響。
1材料與方法
1.1儀器與試劑
丙烯腈（AN）（CP，上海華東試劑工業(yè)供銷 公司），70℃減壓蒸餾去除阻聚劑后放冰箱備用； 衣康酸（IA）（CP，中國醫(yī)藥上?；瘜W(xué)試劑公 司），用去離子水重結(jié)晶后放冰箱備用；偶氮二異 丁腈（AIBN）（CP，上海試四赫維化工有限公 司），乙醇重結(jié)晶后放冰箱備用；二甲基亞砜（DMSO）（AR，上海波爾化學(xué)試劑有限公司）；丙 酮（AR，上海振興化工一廠），未經(jīng)處理直接使 用；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（AR，上海博爾 化學(xué)試劑有限公司）；高純氮氣（99.99%，上海申 中工業(yè)氣體有限公司）。
X-射線衍射儀（D/Max-2550 PC，日本 RIGAKU），微量注射泵(74900-00,05，Cole- parmer instrument company，美國)，直流電壓發(fā)生 器(BGG，北京機(jī)電研究院高技術(shù)股份有限公司)， 場發(fā)射掃描電子顯微鏡FE-SEM(JSM－5600LV，日 本JEOL公司)，紅外-拉曼光譜儀（NEXUS-670， 美國Nicole）t，流變儀（DV-Ⅲ，Brookfield，美 國），電子萬能試驗機(jī)（WDW-20，上海華龍測試 儀器）。
1.2丙烯腈聚合及相對分子質(zhì)量測定
在DMSO和水的混合溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20%的單體AN和IA（AN∶IA=99∶1）以及引發(fā)劑 AIBN（總單體質(zhì)量的1%），充分混合后倒入聚合 管中，通氮氣后將聚合管密封，置于恒溫水浴，在 60℃下聚合8 h。然后依次用丙酮和熱的去離子水 脫單，聚合物凝固后真空干燥至恒重[11]。改變 DMSO和水的配比可制得不同相對分子質(zhì)量的聚丙 烯腈。將聚合物溶解在DMF中，然后用烏氏黏度 計在35℃測量聚合物的特性黏度。黏均分子質(zhì)量 用公式（1）計算。
[η]=KMηα（1）
式中：[η]是特性黏度，Mη是黏均分子質(zhì)量；以 DMF為溶劑時，參數(shù)K和α分別是2.78×10-4和 0.76[12]。
1.3 PAN超細(xì)碳纖維氈的制備
1.3.1 PAN紡絲液的配制及靜電紡絲
稱取適量聚合物溶解在DMF中，60℃下攪拌 2 h至完全溶解，然后在室溫下攪拌12 h配制成質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為7%的聚丙烯腈紡絲溶液，在25℃下用 流變儀測定溶液的黏度。將紡絲液吸入注射器后用 12號針頭（直徑1.2 mm）在電壓16 kV、接收距 離25 cm、流量0.2 mL/h下靜電紡絲。將所得纖維 氈在150℃下干燥至恒重，得到纖維原絲。紡絲裝 置見圖1。
1.3.2纖維氈的預(yù)氧化、碳化處理
將電紡纖維氈置于烘箱中，在280℃下預(yù)氧化
30 min（空氣氛圍），然后把得到的預(yù)氧化纖維氈 在氮氣保護(hù)下，900℃碳化30 min形成碳纖維氈。 碳化得率由公式（2）計算。
Y=ma/mb×100%（2）
式中：ma為900℃碳化后纖維氈的質(zhì)量；mb是電 紡纖維氈的質(zhì)量。
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