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目錄 

1.PAN材料的性質(zhì)

2.靜電紡PAN的應(yīng)用

3.靜電紡PAN流程

4.常見紡絲問題及解決方法  

1.PAN材料的性質(zhì) 

聚丙烯腈（英文：Polyacrylonitrile，PAN）是由單體的丙烯腈經(jīng)過自由基聚合反應(yīng)而得到高分子材料。聚丙烯腈為白色粉末狀，密度為1.14-1.15g/cm，玻璃轉(zhuǎn)化溫度約為95℃，熔化溫度為322℃。它溶于二甲基甲酰胺 ( DMF ) 、二甲基亞砜 ( DMSO )、環(huán)丁砜、硝酸亞乙基酯等極性有機溶劑，還能溶于硫氰酸鹽、過氯酸鹽、氯化鋅、溴化鋰等無機鹽的濃水溶液，以及濃硝酸等特殊溶劑。其中，DMF被廣泛用作PAN的溶劑，因為其極強的溶解性和較高的介電常數(shù)。PAN纖維具有良好的耐日光性與耐氣候性，防霉和防菌性能良好。這是由于PAN的腈基中的碳、氫原子間以一個σ鍵，二個π鍵連接，這種結(jié)構(gòu)能吸收能量較高的紫外光并轉(zhuǎn)化為熱能，從而保護主鍵不降解。PAN是制備碳纖維三大前體 ( PAN、瀝青和粘膠纖維 ) 中，用量最大的一種材料。選用PAN作為碳纖維制備前體的優(yōu)點是碳化收率高 ( 1000℃~1500℃為50%~55% )，并且在脫除碳以外的雜原子時其骨架結(jié)構(gòu)很少破壞。均聚PAN和共聚PAN均可用于制備碳纖維，雖然均聚PAN具有結(jié)晶度高和鏈結(jié)構(gòu)規(guī)整等優(yōu)點，但由于在預(yù)氧化過程中易集中放熱，使PAN纖維熱烙或難維持形貌，所以在碳纖維生產(chǎn)中，一般選擇共聚PAN作為原絲制備的原料，通常采用的共聚單體有丙烯酸 ( AA ) 、甲基丙烯酸( MMA ) 、衣康酸 ( IA ) 等。

圖1 聚丙烯腈結(jié)構(gòu)式  

2.靜電紡PAN的應(yīng)用 

(1) 空氣過濾：纖維空氣過濾材料是由許多排列復(fù)雜的纖維搭建而成，傳統(tǒng)的纖維空氣過濾材料的孔徑較大，即使是過濾性能較好的熔噴過濾材料的孔徑也在十至幾十微米，過濾細小顆粒的效果并不良好。PAN納米纖維膜不僅具有孔徑小、孔隙率高（蓬松）、比表面積大、吸附性能好等優(yōu)點，而且具有良好的耐溶劑性、耐日曬性及耐老化性，非常適合應(yīng)用于空氣/水體過濾材料。

圖2 空氣過濾網(wǎng)

(2) 碳納米纖維：靜電紡PAN是批量制備碳納米纖維前體最簡單、經(jīng)濟的一種方法，后經(jīng)預(yù)氧化、碳化處理可得到碳納米纖維。碳納米纖維的直徑一般為100~500nm，是介于CNT和普通碳纖維之間的準(zhǔn)一維碳材料，具有較高的結(jié)晶取向度、較好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能，可用作超級電容器和鋰離子電池的負極材料。

圖3 鋰離子電池結(jié)構(gòu)

（3）重金屬離子和染料吸附材料：重金屬離子污染和有機染料化合物污染，對生態(tài)環(huán)境和居民健康都造成了嚴(yán)重危害。由于PAN 大分子上具有大量側(cè)基-CN ，并且-CN 具有極性強、活性高的特點，使PAN可與許多小分子化合物發(fā)生物理或化學(xué)作用，從而實現(xiàn)PAN 纖維的改性，賦予纖維新的所需性能。其中，通過對PAN納米纖維表面進行胺化或者偕胺肟化，引入具有吸附活性的氨基或偕胺肟基，可與金屬離子形式配位鍵，再加上其具有纖維直徑小、比表面積大等優(yōu)點，使其在重金屬離子吸附以及染料吸附等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖 4 重金屬污染

(4) 吸音材料：傳統(tǒng)吸音材料主要有吸音棉、空間吸聲體、穿孔板、吸音泡沫等，相比于傳統(tǒng)吸音材料靜電紡PAN納米纖維材料具有蓬松度高、孔隙率高、孔徑小、比表面積大、質(zhì)輕等優(yōu)勢，從而使聲波與材料的有效接觸面積增大，接觸次數(shù)增加，從而提高了材料對聲能的空氣粘滯、熱傳導(dǎo)、纖維振動、摩擦等作用轉(zhuǎn)化為機械能或熱能損耗，故其在吸音降噪領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。    

圖5 噪聲污染

3. 靜電紡PAN流程

3.1主要材料和儀器：

(1) 紡絲材料：PAN粉末，分子量5萬-20萬；DMF （或DMAc）溶劑，分析純。

(2) 實驗儀器：50mL錐形瓶、磁力攪拌器、水浴鍋、電子天平、E05靜電紡絲機。

3.2紡絲液配置：

使用電子天平稱取一定質(zhì)量溶劑DMF于錐形瓶中，加入磁力攪拌子，置于水浴鍋中攪拌；再稱取一定質(zhì)量的PAN，緩慢加入攪拌的錐形瓶中；蓋緊瓶蓋，防止水汽進入錐形瓶；設(shè)置水浴溫度為60℃，連續(xù)攪拌溶解4h，至溶液澄清透明（或透亮金黃色），即可得到一定質(zhì)量濃度的PAN紡絲液。

常見PAN紡絲液質(zhì)量濃度為5% -15%; 溶劑體系為DMF 或DMAC。

3.3紡絲過程及參數(shù):

將上述PAN紡絲液抽到20mL注射器中，注射器固定到紡絲機注射泵上，裝上20G （1/2 英寸，平口）不銹鋼針頭，針頭接高壓電源正極，接收輥筒接高壓電源負極，輥筒上貼上接收基材；調(diào)整接收距離為15-20cm；設(shè)置注射泵規(guī)格為20mL,供液速度2mL/h ，輥筒轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/min，滑臺行程20cm，紡絲電壓正15kV，負5kV，溫度35℃，濕度40%，定時120min，最后關(guān)閉設(shè)備門，開啟排風(fēng)。

常用靜電紡接收基材：鋁箔紙、離型紙、無紡布、篩網(wǎng)布等。   

4.常見紡絲問題及解決方法 

(1) 掃描電鏡下，纖維上串珠較多：一般是紡絲液的中PAN濃度太低，導(dǎo)致紡絲液粘度不夠，建議繼續(xù)提高PAN濃度。通常情況下，隨著紡絲液濃度的升高，紡出來的產(chǎn)物會從微納米顆粒、串珠纖維、均勻纖維到粗纖維，這一過程轉(zhuǎn)變；另外PAN分子量太小，PAN分子在溶液中纏結(jié)不足，也會導(dǎo)致纖維產(chǎn)生串珠，不建議使用分子量太低于的PAN原料。

(2) 紡絲過程中，針尖掛絲、飄絲：一般是紡絲環(huán)境濕度過高，紡絲射流在空氣中吸濕提前固化并且纖維上電荷中和，導(dǎo)致纖維帶電量下降，導(dǎo)致纖維拉伸性能減弱，所受電場力減弱，不足以吸附到接收極。可以嘗試除濕機除濕或者加熱除濕解決。

(3) 紡絲液保存過程中，發(fā)生凝膠：PAN紡絲液易吸收空氣中水氣而凝固，因而需在干燥密閉的條件下保存，建議現(xiàn)配現(xiàn)用或者密封保存15天內(nèi)使用。