同軸靜電紡絲參數對聚丙烯腈中空碳納米纖維形態與炭化收率的影響

李樹鋒， 劉高華， 謝小軍， 韓永興， 張 艷， 程博聞(1. 天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387； . 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387)

同軸靜電紡絲參數對聚丙烯腈中空碳納米纖維形態與炭化收率的影響

李樹鋒1,2， 劉高華2， 謝小軍2， 韓永興2， 張 艷2， 程博聞1,2
(1. 天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387； 2. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387)

為制備可實用聚丙烯腈(PAN)中空碳納米纖維，考察了同軸靜電場施加方式、芯層組分及芯層針頭直徑對PAN碳納米纖維中空結構的穩定形成及其炭化收率的影響。實驗結果表明：芯層組分會影響PAN納米纖維殼-芯結構及其碳納米纖維中空結構的形成，靜電場施加方式和芯層針頭直徑的影響不大。掃描電子顯微鏡觀察結果顯示，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液或甲基硅油為芯層的PAN碳納米纖維橫截面呈明顯的中空結構，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液或空氣為芯層時則呈實芯結構。以PMMA溶液為芯層時，由于芯層與殼層PAN具有相同的溶劑二甲基甲酰胺卻又互不相溶，因而PAN納米纖維能穩定形成殼-芯結構且殼-芯界面相容性好，炭化后的PAN中空碳納米纖維表面形態最好，中空結構較為規則，炭化收率為28%～31%。

同軸靜電紡絲； 聚丙烯腈； 殼-芯結構； 中空碳納米纖維； 炭化收率

同軸靜電紡絲是在傳統靜電紡絲的基礎上，采用同軸雙針噴頭連續制備殼-芯結構納米纖維的新型靜電紡絲技術。將同軸靜電紡絲技術制備的殼-芯納米纖維采用特殊方法除去芯層后得到中空納米纖維。以聚丙烯腈(PAN)為殼層組分，以低熔點組分為芯層，利用同軸靜電紡絲技術制備PAN殼-芯納米纖維，再經高溫熱處理，使芯層組分經熱裂解而保留體積空間，殼層PAN轉變成亂層石墨碳結構，得到PAN中空碳納米纖維。PAN中空碳納米纖維特有的中空結構不僅可使其比表面積進一步增大，還可為催化反應、質子遷移提供通道，在催化劑載體[1-3]、電極材料[4-6]、電容器[7-8]、過濾材料[9-10]、吸附材料[11-12]、阻燃材料[13]、抗菌劑[14]等領域具有潛在的應用價值，已成為納米碳材料研究的熱點課題之一[15]。

PAN中空碳納米纖維的結構和性質與其同軸靜電紡絲工藝密切相關。本文主要探討PAN同軸靜電紡絲參數：靜電場施加方式、芯層組分與芯層針頭直徑對PAN納米纖維殼-芯結構及其中空碳納米纖維中空結構穩定形成的影響，為進一步優化PAN中空碳納米纖維的結構與性質、開展PAN中空碳納米纖維的應用研究提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

PAN共聚物，自制，黏均相對分子質量150 000；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，通用型，相對分子質量500 000；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，相對分子質量 40 000；甲基硅油、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，市售。

1.2 PAN殼-芯納米纖維制備

同軸靜電紡絲裝置如圖1所示。以PAN質量分數為8%的DMF溶液為殼層，分別選取不同溶液為芯層，在自制同軸靜電紡絲儀上制備PAN殼-芯納米纖維。高壓靜電場施加在芯層，芯層針頭超出殼層針頭0.5 mm。殼層針頭內徑為2.0 mm。分別選取9號、12號針作為芯層針頭。9號針內徑 0.9 mm，外徑1.24 mm；12號針內徑1.2 mm，外徑1.56 mm。

圖1 同軸靜電紡絲示意圖Fig.1 Scheme of coaxial electrospinning

1.3 PAN納米纖維的預處理

PAN納米纖維于空氣氣氛在馬弗爐中進行預氧化，以10 ℃/min的速率升溫至330 ℃，保溫1 h，自然冷卻至室溫，取出備用[16]。預氧化收率按照下式計算。

式中：Y預為PAN納米纖維預氧化后的收率；m預為預氧絲質量；m原為原絲質量。

將預氧化后的納米纖維于氮氣氣氛在管式炭化爐中進行炭化，以5 ℃/min的速率升溫至1 000 ℃，保溫1 h，自然冷卻至室溫，取出備用。炭化收率按下式計算。

式中：Y炭化為PAN納米纖維炭化后的收率；m炭化為碳納米纖維質量。

1.4 PAN中空碳納米纖維形貌觀察

將PAN中空碳納米纖維進行噴金處理。利用 S-4800 場發射掃描電鏡于室溫下觀測噴金后樣品的表面和橫截面形貌。

2 結果與分析

2.1 同軸靜電紡絲穩定性影響因素

以聚丙烯腈(PAN)的DMF溶液為殼層，選取甲基硅油、PVP質量分數為30%的DMF溶液、PMMA質量分數為30%的DMF溶液和空氣作為芯層分別進行同軸靜電紡絲制備PAN殼-芯納米纖維，同軸靜電紡絲參數及紡絲情況如表1所示。

2.1.1高壓靜電場施加方式

本文實驗首先考察了高壓靜電場的施加方式對以PAN為殼層組分的同軸靜電紡絲過程穩定性的影響。由表1可知，選取9號針為芯層針頭，當靜電場施加在芯層組分甲基硅油(實驗1)時，同軸靜電紡絲電壓為18.63 kV，芯層泵供量8 mL/h，殼層泵供量為0，這時PAN同軸靜電紡絲過程較為連續穩定。當高壓靜電場施加在PAN殼層針頭(實驗2)時，為使同軸靜電紡絲過程順利進行，電壓須下降到17.06 kV，芯層泵供量增加到12 mL/h。這是因為靜電場施加在殼層會使流速較快的殼層組分的流速進一步增大，芯層組分必須要增加泵速才能穩定形成同軸泰勒錐。

表1 以PAN溶液為殼層、不同溶液為芯層的同軸靜電紡絲參數及紡絲情況Tab.1 Coaxial electrospinning factors with PAN solution as sheath and various solutions as core

注：*表示紡絲時高壓靜電場施加在殼層組分。

當芯層針頭選用12號針時，靜電場無論施加在芯層組分甲基硅油(實驗6)或殼層組分PAN(實驗7)，PAN同軸靜電紡絲過程都較為順利。

2.1.2芯層針頭直徑與芯層組分

將高壓靜電場施加在芯層組分，選取9號或12號針作為芯層針頭，分別考察甲基硅油、PVP溶液、PMMA溶液、空氣這4種芯層組分對PAN同軸靜電紡絲過程的影響。

由表1可知，無論選取9號或12號針，當甲基硅油、PMMA溶液、空氣作為芯層組分時，同軸靜電紡絲過程均能正常進行。

當芯層針頭選取9號針、PVP溶液為芯層時，同軸靜電紡絲過程不穩定，紡絲時斷時續，多次參數調整均未紡出成形較好的納米纖維。這可能是由于芯層針頭直徑較小，導致芯層PVP溶液流速較慢，未能有效形成同軸泰勒錐，因而紡絲過程不穩定。當芯層針頭調整為直徑較大的12號針時，通過調整靜電場電壓和芯層泵速，同軸靜電紡絲過程較為穩定。

2.2 PAN中空碳納米纖維形貌分析

將表1中經同軸靜電紡絲制備的不同PAN殼-芯納米纖維進行預氧化、炭化，得到PAN中空碳納米纖維。圖2、3分別示出芯層采用9號針時，具有不同芯層組分的PAN殼-芯納米纖維經炭化后得到的PAN碳納米纖維表面和橫截面的電鏡照片。

由圖可知，甲基硅油作為芯層組分時，無論靜電場施加在芯層還是殼層，PAN碳納米纖維表面纖維粗細不均勻(見圖2(a)、(b))，橫截面呈氣泡狀的中空結構(見圖3(a)、(b))。當PMMA溶液作為芯層組分時(見圖2(c)、圖3(c))，PAN碳納米纖維直徑較均勻，橫截面形成了較為規則的中空結構。空氣作為芯層組分時，PAN碳納米纖維橫截面呈實芯結構(見圖3(d))。PVP溶液作為芯層組分時的同軸靜電紡絲過程不穩定，因此未能獲得相應的PAN納米纖維及其碳納米纖維。

圖2 不同芯層組分PAN納米纖維炭化后的表面電鏡照片(×3 000)Fig.2 Surface images of carbonized PAN nanofibers with various core components (×3 000).(a) Methylsilicone oil; (b) Methylsilicone oil with pressurized sheath; (c) PMMA; (d) Air

圖3 不同芯層組分PAN納米纖維炭化后的橫截面電鏡照片Fig.3 Cross-section images of carbonized PAN nanofibers with various core components.(a) Methylsilicone oil (×30 000); (b) Methylsilicone oil with pressurized sheath (×25 000);(c) PMMA (×25 000); (d) Air (×20 000)

圖4、5分別示出芯層采用12號針，以PAN為殼層，分別選取甲基硅油、PVP溶液、PMMA溶液、空氣作為芯層組分，經同軸靜電紡絲、預氧化、炭化后得到的PAN碳納米纖維的表面和橫截面電鏡照片。

圖4 芯層采用12號針不同芯層組分PAN納米纖維炭化后的表面電鏡照片(×3 000)Fig.4 Surface images of carbonized PAN nanofibers with various core components by using No. 12 core needle(×3 000).(a) Methylsilicone oil; (b) Methylsilicone oil with pressurized sheath; (c) PVP; (d) PMMA; (e) Air

圖5 芯層采用12號針，不同芯層組分PAN納米纖維炭化后的橫截面電鏡照片Fig.5 Cross-section images of carbonized PAN nanofibers with various core components by using No.12 core needle.(a) Methylsilicone oil (×11 000); (b) Methylsilicone oil with pressurized on sheath (×7 000); (c) PVP (× 25 000); (d) PMMA (×25 000); (e) Air (×20 000)

由圖可知，以甲基硅油作為芯層組分，當靜電場施加在芯層時，碳納米纖維表面有很多細小的顆粒(見圖4(a))，纖維樣品破損嚴重，橫截面沒有觀測到明顯的中空結構(見圖5(a))；當靜電場施加在殼層時，PAN碳納米纖維表面呈串珠狀，纖維粗細不均勻(見圖4(b))，橫截面呈現中空結構，但中腔直徑差異較大(見圖5(b))。PVP溶液作為芯層時(見圖4(c)、 圖5(c))，PAN碳納米纖維表面呈梭型，橫截面呈實心結構。PMMA溶液作為芯層(見圖4(d)、 圖5(d))時，PAN碳納米纖維表面形態最好，纖維直徑較為均勻，橫截面呈現出規則的中空結構。當空氣作為芯層組分(見圖4(e)、圖5(e))時，PAN碳納米纖維表面形態良好，但橫截面呈實芯結構。

由此可見，由不同芯層組分得到的PAN碳納米纖維的橫截面結構差異較大，而靜電場施加方式和芯層針頭直徑的影響不明顯。以甲基硅油、PMMA溶液作為芯層組分時，獲得的PAN碳納米纖維橫截面呈現明顯的中空結構。這說明，與PMMA溶液、甲基硅油這2種芯層組分相對應的PAN納米纖維形成了穩定的殼-芯結構。當PVP溶液、空氣作為芯層時，PAN碳納米纖維橫截面沒有觀測到明顯的中空結構，這表明其相應的PAN納米纖維中沒有形成殼-芯結構。

上述實驗結果進一步表明，在同軸靜電紡絲過程中，芯層組分對同軸靜電紡絲中PAN納米纖維殼-芯結構穩定形成的影響較大。為使PAN納米纖維獲得穩定的殼-芯結構，芯層體積空間必須要被有效填充，且芯層溶液必須與殼層溶液不互溶，因此，進一步考察了不同芯層溶液與殼層PAN溶液的相溶性，結果如表2所示。

由表2可知，甲基硅油與殼層PAN溶液完全不互溶；PMMA溶液加熱時能與PAN溶液互溶，但常溫下則發生相分離，成為兩相體系；PVP溶液常溫和加熱狀態下均與PAN溶液互溶。由此可見，當甲基硅油作為芯層時，由于芯層與殼層PAN溶液完全不互溶且殼-芯界面相容性差，經同軸靜電紡絲得到的PAN殼-芯納米纖維的芯層能被有效填充，殼-芯結構能夠穩定形成但形態較差，芯層經預氧化、炭化后由于熱裂解而形成的中空結構形態也相對較差。當PMMA溶液作為芯層時，由于同軸靜電紡絲過程在室溫下進行，芯層與殼層不互溶，納米纖維可形成穩定的殼-芯結構；另一方面，由于殼層與芯層都含有溶劑DMF而使殼-芯界面具有一定的相容性，由此得到的PAN中空碳納米纖維形態最好。當PVP溶液作為芯層時，芯層與殼層完全互溶而成為均相體系，因而電鏡照片觀測到其PAN碳納米纖維橫截面呈實芯結構。空氣作為芯層時，由于芯層沒有被有效填充，當殼層溶液流出針頭后，殼層PAN大分子的彈性會使殼層溶液體積膨脹而占據芯層的體積空間，使PAN納米纖維及其碳納米纖維形成實芯結構。

表2 不同芯層溶液與殼層PAN溶液的相溶性Tab.2 Miscibility of sheath of PAN solutionand various core solutions

2.3 PAN納米纖維的炭化收率

經同軸靜電紡絲制備的具有不同芯層組分的PAN殼-芯納米纖維進行預氧化、炭化，得到了PAN中空碳納米纖維，其預氧化、炭化收率如表3所示。

表3 不同PAN納米纖維的預氧化和炭化收率Tab.3 Pre-oxidation and carbonization yields ofvarious PAN nanofibers

注：實驗3未能成功進行同軸靜電紡絲，故該數據空缺。

PAN殼-芯納米纖維經預氧化、炭化后，芯層的低熔點組分經高溫熱裂解后全部從纖維中排出，殼層的PAN線型分子逐步轉變為亂層石墨結構，非碳元素從纖維中排出。表3所示各PAN殼-芯納米纖維的炭化收率約為17%～35%。

由表3可知：無論芯層采用9號或12號針，甲基硅油作為芯層組分的PAN納米纖維預氧化收率最大，為80%～85%；空氣和PMMA次之，分別為79%～81%、73%～77%；PVP最低，約為74%。炭化收率最高的芯層組分是空氣，約為33%～35%；PVP次之，為32.95%；PMMA為28%～31%；甲基硅油最小，為17%～29%。這是因為在芯層針頭直徑較小(即選取9號針)的情況下，芯層質量占纖維總質量的比例較小，因此芯層質量占纖維總質量的比例可近似于芯層質量占殼層質量的比例。當甲基硅油作為芯層使用時，由于其本身是液體形態，可作為芯層單獨使用，經同軸靜電紡絲形成PAN殼-芯納米纖維后，其芯層質量不發生明顯變化，再經預氧化、炭化后，芯層組分經熱裂解而全部去除，所以炭化收率最低。當PMMA的DMF溶液作為芯層使用時，經同軸靜電紡絲形成PAN殼-芯納米纖維后，芯層的DMF溶劑已大部分揮發完，因此芯層質量大幅減少，再進行預氧化、炭化后，較少的芯層質量完全被去除，因而炭化收率比芯層為甲基硅油時要高。當芯層針頭直徑增大(12號針)時，即芯層組分的比例增加，芯層組分質量對納米纖維總質量的影響增大，由PMMA、甲基硅油分別作為芯層組分時得到的PAN納米纖維的炭化收率差異減小。

PVP溶液、空氣作為芯層組分時，由電鏡照片圖2～5 可知，其相應的PAN碳納米纖維橫截面呈實芯結構，由此可推斷出在同軸靜電紡絲后得到的PAN納米纖維中形成了實芯結構。當空氣為芯層時，殼層并未有效填充，納米纖維炭化時只發生殼層PAN的質量損失，因此炭化收率最高。當PVP溶液作為芯層使用時(實驗8)，雖然由碳納米纖維橫截面的電鏡圖推斷其納米纖維是實芯結構，但由于PVP仍保留在PAN納米纖維中，經預氧化、炭化后會全部熱裂解而留下體積空間，且其用量與PMMA作為芯層時的加入量即百分含量(實驗9)相當，因此二者的炭化收率也接近，但低于芯層為空氣時的情況。

3 結 論

本文詳細研究了同軸靜電紡絲工藝參數對PAN同軸靜電紡絲穩定性、PAN碳納米纖維中空結構形成與保持及其炭化收率的影響規律。實驗結果表明，同軸靜電紡絲中靜電場施加方式和芯層針頭直徑對PAN納米纖維殼-芯結構及其碳納米纖維中空結構穩定形成的影響不明顯，而芯層組分的影響較大。芯層組分與殼層PAN溶液的相溶性關系決定了由同軸靜電紡絲得到的PAN殼-芯納米纖維的芯層是否能有效形成，其相容性則影響PAN殼-芯納米纖維及其中空碳納米纖維的形態。為獲得具有明顯中空結構的PAN碳納米纖維，PAN同軸靜電紡絲中與殼層不互溶的甲基硅油和PMMA溶液是較好的芯層組分。PMMA溶液作為芯層時，與殼層不互溶且具有相同溶劑而使殼-芯界面相容性較好，因而得到的PAN碳納米纖維中空結構形態最好，中腔較為規則。甲基硅油作為芯層組分時，與殼層的相容性不好，得到的PAN中空碳納米纖維呈串珠狀，中腔直徑不均勻。PVP溶液、空氣作為芯層時，由同軸靜電紡絲得到的PAN殼-芯納米纖維的芯層未被有效填充，最終的PAN碳納米纖維橫截面呈實芯結構。

FZXB

[1] GU S, REN J, VANCSO G J. Process optimization and empirical modeling for electrospun polyacryloni-trile (PAN) nanofiber precursor of carbon nano-fibers [J]. European Polymer Journal, 2005, 41: 2559-2568.

[2] PATIL S A, CHIGOME S, HGERHLL C, et al. Electrospun carbon nanofibers from polyacrylonitrile blended with activated or graphitized carbonaceous materials for improving anodic bioelectrocatalysis [J]. Bioresource Technology, 2013, 132: 121-126.

[3] LIU H, BAI J, WANG S, et al. The preparation of silver nanoparticles/carbon nanofibers as catalystin the styrene epoxidation [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical Engineering Aspects, 2014, 448: 154-159.

[4] YANG X, ZOU W, SU Y, et al. Activated nitrogen-doped carbon nanofibers with hierarchical pore as efficient oxygen reduction reaction catalyst for microbial fuel cells [J]. Journal of Power Sources, 2014, 266: 36-42.

[5] WU Y, GAO M, LI X, et al. Preparation of mesohollow and microporous carbon nanofiber and its application in cathode material for lithium-sulfur batteries[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 608: 220-228.

[6] PARK S H, JUNG H R, LEE W J. Hollow activated carbon nanofibers prepared by electrospinning as counter electrodes for dye-sensitized solar cells[J]. Electrochimica Acta, 2013, 102: 423- 428.

[7] AN G, AHN H. Activated porous carbon nanofibers using Sn segregation for high-performance electroche-mical Capacitors [J]. Carbon, 2013, 65: 87-96.

[8] HSU Y H, LAI C C, HO C L, et al. Preparation of interconnected carbon nanofibers as electrodes for supercapacitors [J]. Electrochimica Acta, 2014, 127: 369-376.

[9] FENG C, KHULBE K C, MATSUURA T, et al. Preparation and characterization of electro-spun nanofiber membranes and their possible applications in water treatment [J]. Seperation and Purification Technology, 2013, 102: 118-135.

[10] FACCINI M, SHABAFROOZ V, BORJA G, et al. High flux and bendable carbon nanofiber membranes for the filtration of nanoparticles from aqueous solutions [J]. Procedia Engineering, 2012, 44: 1788-1789.

[11] TENG M, QIAO J L, LI F T, et al. Electrospun mesoporous carbon nanofibers produced from phenolic resin and their use in the adsorption of large dye molecules [J]. Carbon, 2012, 50: 2877-2886.

[12] BAI Y, HUANG Z, KANG F. Surface oxidation of activated electrospun carbon nanofibers and their adsorption performance for benzene, butanone and ethanol [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2014, 443: 66- 71.

[13] MOON S C, EMRICK T. High flame resistant and strong electrospun polyacrylonitrile carbon Nanotubes-ochre nanofibers [J]. Polymer, 2013, 54:1813-1819.

[14] SINGH S, ASHFAQ M, SINGH R K, et al. Preparation of surfactant-mediated silver and copper nanoparticles dispersed in hierarchical carbon micro-nanofibers for antbacterial applictions [J]. New Biotechnology, 2013, 30(6): 656-665.

[15] NATARAJ S K, YANG K S, AMINABHAVI T M. Polyacrylonitrile-based nanofibers: a state of the art review [J]. Progress in Polymer Science, 2012, 37(3):487-513.

[16] 海滇，李樹鋒，丁曉，等. 高分子質量聚丙烯腈基碳納米纖維的制備[J].紡織學報，2016，37(3): 1-5.

HAI Dian, LI Shufeng, DING Xiao, et al. Preparation of carbon nanofibers from PAN with high molecular weight [J]. Journal of Textile Research, 2016, 37(3):1-5.

Effectsofcoaxialelectrospinningparametersonmorphologyandcarbonizationyieldofpolyacrylonitrilehollowcarbonnanofibers

LI Shufeng1, 2， LIU Gaohua2， XIE Xiaojun2， HAN Yongxing2， ZHANG Yan2， CHENG Bowen1,2
(1.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to prepare practicable polyacrylonitrile (PAN) hollow carbon nanofibers, effects of electrostatic field modes, core components and core needle diameters in the PAN coaxial electrospinning process on the hollow structure forming of the polyacrylonitrile carbon nanofibers and their carbonization yields were systematically studied. The experimental results show that the core components influence the sheath-core forming of the PAN nanofibers and hollow structure forming of their PAN carbon nanofibers, but the electrostatic field modes and core needle diameters are insignificant. Scanning electron microscopic results show that the cross sections of the PAN carbon nanofibers with the polymethyl methacrylate (PMMA)solution or methylsilicone oil as core are hollow, and those with the polyvinyl pyrrolidone (PVP)solution or air as core are solid. When the PMMA solution is used as core, the PAN nanofibers show the sheath-core structures with good interface compatibility because the sheath and core have the same solvent of and are immiscible, the abtained PAN hollow carbon nanofibers possess the best surface morphology and regular hollow structure and the carbonization yield is 28%-31%.

coaxial electrospinning; polyacrylonitrile; sheath-core structure; hollow carbon structure; carbonization yield

10.13475/j.fzxb.20170300506

TS 343

A

2017-03-06

2017-08-30

國家科技支撐計劃項目(2015BAE01B03)；國家自然科學基金項目(51603144)；天津市高等學校科技發展基金計劃項目(20140304)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目(13JCZDJC32500)

李樹鋒(1977—)，女，副教授。主要研究方向為碳納米纖維的制備。E-mail：lishufeng@tjpu.edu.cn。