弗吉尼亞理工大學(xué)：采用嵌段共聚物制備具有均勻孔結(jié)構(gòu)的碳纖維

美國弗吉尼亞理工大學(xué)科學(xué)學(xué)院的Blacksburg教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一條采用嵌段共聚物制備多孔碳纖維外殼，以儲存能量并為飛機(jī)和汽車提供動力的工藝。

碳纖維作為一種高性能的工程材料，已廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)。碳纖維其中一個(gè)重要的應(yīng)用是用作奔馳、寶馬或蘭博基尼等豪華車的外殼。

碳纖維是一種細(xì)如頭發(fā)絲的纖維，具有多種材料特性：高力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕、導(dǎo)電、阻燃，并且還具有一項(xiàng)極為重要的特性——輕質(zhì)。碳纖維的輕質(zhì)特性使燃料和能源效率得以提高，從而可制備出速度更快的飛機(jī)和汽車。

1 結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)材料

研究人員的設(shè)想是制備出不僅在結(jié)構(gòu)上有用，而且在功能上也有用(如儲能)的碳纖維。

若要纖維儲存能量，則需有空間將離子放入其中。理想情況下，可將碳纖維設(shè)計(jì)成具有均勻微孔分布的結(jié)構(gòu)，如同海綿，以儲存能量離子。目前，研究者已研發(fā)出一種工藝，首次制備出具有均勻孔徑和間隔分布的多孔碳纖維。

2 使用嵌段共聚物制備多孔碳纖維

以兩種聚合物分子——聚丙烯腈(PAN)和聚丙烯腈-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為原料，通過多步驟的化學(xué)過程，可制備孔徑和間隔均勻的多孔碳纖維。PAN作為一種碳纖維前驅(qū)體聚合物，在聚合物化學(xué)領(lǐng)域廣為人知。PMMA則為一種固定位置材料，在被移除后形成孔隙。以往，其他的化學(xué)工作者通常是將PAN和PMMA分別制成溶液后混合，制備多孔碳纖維，所得碳纖維的孔徑和間距不同。纖維內(nèi)孔的孔徑分布越均勻，其表面積越大，則可更大限度地儲存能量。

目前市場上有兩種傳統(tǒng)的多孔碳纖維生產(chǎn)方法。第一種方法(方法一)如圖1a)所示，純PAN經(jīng)靜電紡絲形成纖維氈，在空氣中于280 ℃下氧化成交聯(lián)PAN(藍(lán)色)，然后在氮?dú)庵杏?00 ℃下熱解形成碳纖維(灰色)。為直觀地說明，對單根聚合物纖維進(jìn)行了放大顯示。第二種方法(方法二)如圖1b)所示，PAN與犧牲相PMMA(紅色)混合，形成聚合物共混物。聚合物共混物經(jīng)氧化后發(fā)生宏觀相分離，形成不均勻區(qū)域。熱解后除去PMMA，可形成不均勻的孔結(jié)構(gòu)。新方法如圖1c)所示，PAN-b-PMMA嵌段共聚物經(jīng)氧化和自組裝后，形成均勻的PMMA納米微區(qū)(紅色)，均勻分布在PAN基體(藍(lán)色)中。熱解后形成的多孔碳纖維孔徑控制良好，孔的分布均勻。

圖1 由各種聚合物前驅(qū)體合成碳纖維

3種方法制備的多孔碳纖維的掃描電子顯微鏡(SEM)圖如圖2所示。

圖2 3種方法制備的碳纖維的SEM圖

由圖2可以看出，采用PAN-b-PMMA作為前驅(qū)體制備的多孔碳纖維，其孔徑和間隔更均勻。

在實(shí)驗(yàn)室合成嵌段共聚物后，其黏性溶液經(jīng)過三步化學(xué)過程，即可制得多孔碳纖維。第一步是靜電紡絲，這是一種利用靜電力使溶液形成纖維束并最終固化成類似紙張材料的方法。接著，對聚合物進(jìn)行熱氧化。在該步驟中，PAN和PMMA自然分離并自組裝成均勻分散有PMMA微區(qū)的PAN纖維。

在最后一步的熱解過程中，將聚合物加熱至更高的溫度。這一過程將PAN固化成碳纖維并去除PMMA，在纖維中留下相互連接的介孔和微孔。

3 能源儲存的新的可能性

盡管本文的工藝突破進(jìn)一步提升了碳纖維這種高性能工程材料的性能，但其更大的價(jià)值可能是實(shí)現(xiàn)了采用嵌段共聚物制備能用作儲能材料的多孔結(jié)構(gòu)材料。