DOI: 10.1021/acsami.1c02643
氧化石墨烯(GO)作为聚丙烯腈(PAN)基碳纳米纤维(CNFs)的添加剂可优化其晶体结构并提高纳米纤维的力学性能。然而,GO纳米片在缠绕的PAN分子链间的均匀分散始终是一个难题,而GO的分散性较差严重限制了其对CNFs结构和性能的积极影响。针对这一问题,本文首次提出了可通过原位聚合快速、均匀地将GO引入PAN基纳米纤维中,并从聚合、静电纺丝和碳化三个阶段系统地研究了GO对纳米纤维结构的优化过程。在原位聚合过程中,PAN紧密附着在GO纳米片上以形成PAN/GO纳米复合材料,并且在整个纺丝过程中都保持了这种相互作用。PAN与GO的相互作用不仅改善了PAN分子链的排列,而且改善了最终涡轮层状结构CNFs的晶粒尺寸。此外,还直接证明了GO纳米片可促进纳米纤维基体的结晶和取向。结果表明,当GO的添加量为0.5wt%时,CNFs的拉伸强度提高了2.45倍。总而言之,本文提供了一种将纳米级添加剂有效引入PAN基纳米纤维中的方法,并对制备添加GO的高性能CNFs进行了探讨。
图1.PAN/GO纳米复合材料和复合纳米纤维的制备示意图。
图2.聚合物产品的SEM图像:GO(a),PAN(b)和PAN/GO纳米复合材料(c)。(d)PAN/GO纳米复合材料的元素图谱。
图3.PAN(a)和PAN/GO纳米复合材料(b)的TEM图像。(c)聚合物溶解过程的机理。
图4.GO和具有不同GO重量分数的聚合物产品的FTIR(a)和XRD(b)光谱。计算出具有不同GO重量分数的聚合物产品的结晶度(c)和半峰全宽(d)。
图5.(a)原位聚合过程的机理。(b)PAN和PAN/GO纳米复合材料的分子量。(c)具有不同GO重量分数的聚合物产品的数码照片。
图6.纳米纤维的SEM图像:初纺纳米纤维PAN(a1),P/G-0.1(b1),P/G-0.5(c1)和P/G-1(d1);稳定化的纳米纤维PAN(a2),P/G-0.1(b2),P/G-0.5(c2)和P/G-1(d2);碳化纳米纤维PCNF(a3),GRCNF-0.1(b3),GRCNF-0.5(c3)和GRCNF-1(d3)。(e)初纺、稳定和碳化纳米纤维的直径数据汇总。
图7.超声蚀刻的初生纳米纤维的SEM图像:PAN(a),P/G-0.1(b),P/G-0.5(c)和P/G-1(d)。具有不同GO重量分数的初生纳米纤维的XRD光谱(e),计算的结晶度(f)和FTIR光谱(g)。
图8.PCNF(a)和GRCNF-1(b-d)的TEM图像。具有不同GO质量分数的CNFs的XRD光谱(e),XRD峰的半峰全宽(f),拉曼光谱(i),G-fwhm(g)和ID/IG(h)。(j)CNFs的晶体结构模型。
图9.(a)带材牵伸系统的示意图。(b)具有不同GO重量分数的CNFs的拉伸强度。PCNF(c),GRCNF-0.1(d),GRCNF-0.5(e)和GRCNF-1(f)的横截面SEM图像。