研究·聚丙烯腈/纳米微晶纤维素前驱体制备碳纤维

碳纤维在研制初期主要是以粘胶纤维等木质素纤维为原料，但其碳收率低，且制备得到的碳纤维拉伸强度较低。与之相比，聚丙烯腈（PAN）纤维具有较高的碳收率，并具备优异的拉伸性能与压缩性能，因而成为碳纤维最为常用的前驱体。近年来，随着可持续发展概念的深入，纤维素、木质素等可再生资源经常用于碳纤维的前驱体研究，但纤维素基碳纤维、木质素基碳纤维力学性能始终远低于PAN基碳纤维。

近日，美国佐治亚理工学院科研人员以含量高达40%纳米微晶纤维素（cellulose nanocrystal：CNC）的PAN纤维为原料，经过预氧化、碳化处理制备得到PAN/CNC基碳纤维，纤维拉伸强度1.8-2.3GPa，拉伸模量220-265GPa，综合性能与PAN基碳纤维相接近。

为了制备CNC含量高达40%的PAN/CNC溶液，研究人员将一定量CNC加入二甲基甲酰胺（DMF）与水（体积比75:25）混合溶液中，并使用DMF将干态PAN粉末溶解，然后将CNC/DMF/H2O混合溶液加入PAN/DMF溶液中，多余溶剂进行蒸馏蒸发，形成固含量为15g/100ml的溶液，进一步使用甲醇为凝固浴，经过溶液纺丝，在总牵伸倍率为23×工艺下制备得到PAN/CNC前驱体纤维。该前驱体经过预氧化、碳化处理后制备得到PAN/CNC基碳纤维。PAN/CNC前驱体纤维的预氧化和碳化处理是在管式炉中进行，预氧化阶段以3℃/min升温速率由室温升至265℃，并在265℃条件下处理170min，然后升至305℃停留10min；在碳化处理阶段，以5℃/min升温速率升至1400℃，停留10min。

科研人员针对PAN/CNC基碳纤维制备过程中的微观结构变化规律进行了深入研究。首先通过PAN/CNC前驱体纤维空气气氛中的热失重曲线发现，PAN/CNC前驱体纤维随着CNC含量提升，纤维热失重总量也逐渐增加，其主要原因在于空气气氛中CNC的透氧性要显著高于PAN。

PAN/CNC前驱体纤维DSC曲线

分别以PAN纤维、PAN/CNC纤维为前驱体制备得到碳纤维，针对力学性能进行了对比分析，结果显示PAN/CNC基碳纤维线密度、直径以及力学性能均略低于PAN基碳纤维，但偏差不大，尤其是在CNC含量高达40%情况下，PAN/CNC基碳纤维的力学性能与PAN基碳纤维性能并未出现显著差异；此外，PAN/CNC基碳纤维在伸长上具有一定优势。

PAN基碳纤维与PAN/CNC基碳纤维力学性能

利用XRD对PAN、PAN/CNC纤维在预氧化、碳化等阶段的微晶结构进行了对比研究，结果表明，经过1300℃碳化处理后，PAN/CNC基碳纤维在微晶尺寸、微晶取向均要高于PAN基碳纤维。

纤维不同阶段的XRD衍射图（a）PAN（b）PAN/CNC-40：CNC含量40%

基于透射电子显微镜研究表明，在PAN/CNC的预氧化纤维中观察到由PAN基质包围的CNC区域。碳化纤维则显示出两个不同的稳定碳化区域。 该研究对于两相结构碳纤维的开发具有一定指导意义。

PAN/CNC-20（CNC含量20%）阶段样品TEM图（a-c）预氧化纤维（d-f）碳化纤维

来源：carbon，中科院宁波材料所特种纤维事业部微 信公众 号编译

编辑：碳纤维生产技术

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