摘要：采用静电纺丝法制备了不同黏均分子质量(Mη)的聚丙烯腈(PAN)超细纤维毡，并通过280℃ 预氧化和900℃碳化进一步制备超细碳纤维毡。讨论了Mη对纤维制备的影响，发现PAN的Mη大于 3×105则不利于静电纺丝，小于5×104则纤维毡发脆，无法进一步加工处理成碳纤维毡。用场发射扫描 电镜、红外光谱、X-射线衍射对纤维毡进行表征，结果表明：随着PAN相对分子质量的升高，碳纤维的直径和得率增大。此外，抗拉强度测试表明：随着相对分子质量的增大，超细碳纤维毡的抗拉强度增加。
关键词：PAN；超细碳纤维毡；预氧化；碳化；抗拉强度
超细碳纤维是一种新型的碳材料，它的尺寸 小于常规碳纤维（直径约为7~10μm），可达到纳 米级别。超细碳纤维物理化学性质稳定，比表面积 大，导电性能优异。目前对超细碳纤维的应用探索 主要在催化剂载体、电极材料、高效吸附剂、储氢 材料、聚合物增强剂等方面[1-3]。
制备超细碳纤维主要有基体法、喷淋法和气 相生长法3种传统方法，其中气相生长法应用最广 泛，但这些方法不能制备连续的超细碳纤维。目前 制备超细纤维通常采用高压静电纺丝的方法。该方 法由美国人Formals在1934年申请专利[4]。1966年， Simons[5]申请了由静电纺丝法制备超薄、超轻非 织造布织物的专利。
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维在碳纤维用量中占 有相当大的比重[6]。电纺丝制得PAN的超细碳纤 维具有连续、密实、直径分布均匀等特点。近年， Young[7]等用静电纺丝制得具有较好电化学特性的PAN超细纤维膜。Wang等[8,9]用PAN/DMF溶液电 纺制备了直径在50~400 nm之间的超细碳纤维。但 是目前研究制备超细碳纤维大都选用相对分子质量 较低的PAN（小于10万），对超细纤维的强度也鲜 有研究。事实上尽管理论上超细碳纤维的计算强度 远远高于工业上现已商业化的碳纤维，但它的实际 强度很低[10]，不利于后续的应用。作为高效吸附 材料活性碳纤维的前躯体，超细碳纤维的强度对后 续的活化以及应用影响很大。
本论文通过静电纺丝、预氧化、碳化制备了不 同黏均分子质量（M）η的PAN基超细碳纤维毡， 分析了PAN相对分子质量对超细碳纤维毡抗拉强 度、纤维直径以及碳化得率的影响。
1材料与方法
1.1仪器与试剂
丙烯腈（AN）（CP，上海华东试剂工业供销 公司），70℃减压蒸馏去除阻聚剂后放冰箱备用； 衣康酸（IA）（CP，中国医药上海化学试剂公 司），用去离子水重结晶后放冰箱备用；偶氮二异 丁腈（AIBN）（CP，上海试四赫维化工有限公 司），乙醇重结晶后放冰箱备用；二甲基亚砜（DMSO）（AR，上海波尔化学试剂有限公司）；丙 酮（AR，上海振兴化工一厂），未经处理直接使 用；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（AR，上海博尔 化学试剂有限公司）；高纯氮气（99.99%，上海申 中工业气体有限公司）。
X-射线衍射仪（D/Max-2550 PC，日本 RIGAKU），微量注射泵(74900-00,05，Cole- parmer instrument company，美国)，直流电压发生 器(BGG，北京机电研究院高技术股份有限公司)， 场发射扫描电子显微镜FE-SEM(JSM－5600LV，日 本JEOL公司)，红外-拉曼光谱仪（NEXUS-670， 美国Nicole）t，流变仪（DV-Ⅲ，Brookfield，美 国），电子万能试验机（WDW-20，上海华龙测试 仪器）。
1.2丙烯腈聚合及相对分子质量测定
在DMSO和水的混合溶液中加入质量分数为 20%的单体AN和IA（AN∶IA=99∶1）以及引发剂 AIBN（总单体质量的1%），充分混合后倒入聚合 管中，通氮气后将聚合管密封，置于恒温水浴，在 60℃下聚合8 h。然后依次用丙酮和热的去离子水 脱单，聚合物凝固后真空干燥至恒重[11]。改变 DMSO和水的配比可制得不同相对分子质量的聚丙 烯腈。将聚合物溶解在DMF中，然后用乌氏黏度 计在35℃测量聚合物的特性黏度。黏均分子质量 用公式（1）计算。
[η]=KMηα（1）
式中：[η]是特性黏度，Mη是黏均分子质量；以 DMF为溶剂时，参数K和α分别是2.78×10-4和 0.76[12]。
1.3 PAN超细碳纤维毡的制备
1.3.1 PAN纺丝液的配制及静电纺丝
称取适量聚合物溶解在DMF中，60℃下搅拌 2 h至完全溶解，然后在室温下搅拌12 h配制成质 量分数为7%的聚丙烯腈纺丝溶液，在25℃下用 流变仪测定溶液的黏度。将纺丝液吸入注射器后用 12号针头（直径1.2 mm）在电压16 kV、接收距 离25 cm、流量0.2 mL/h下静电纺丝。将所得纤维 毡在150℃下干燥至恒重，得到纤维原丝。纺丝装 置见图1。
1.3.2纤维毡的预氧化、碳化处理
将电纺纤维毡置于烘箱中，在280℃下预氧化
30 min（空气氛围），然后把得到的预氧化纤维毡 在氮气保护下，900℃碳化30 min形成碳纤维毡。 碳化得率由公式（2）计算。
Y=ma/mb×100%（2）
式中：ma为900℃碳化后纤维毡的质量；mb是电 纺纤维毡的质量。
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