弗吉尼亚理工大学：采用嵌段共聚物制备具有均匀孔结构的碳纤维

美国弗吉尼亚理工大学科学学院的Blacksburg教授团队开发出一条采用嵌段共聚物制备多孔碳纤维外壳，以储存能量并为飞机和汽车提供动力的工艺。

碳纤维作为一种高性能的工程材料，已广泛应用于航空航天和汽车工业。碳纤维其中一个重要的应用是用作奔驰、宝马或兰博基尼等豪华车的外壳。

碳纤维是一种细如头发丝的纤维，具有多种材料特性：高力学性能、耐化学腐蚀、导电、阻燃，并且还具有一项极为重要的特性——轻质。碳纤维的轻质特性使燃料和能源效率得以提高，从而可制备出速度更快的飞机和汽车。

1 结构和功能设计材料

研究人员的设想是制备出不仅在结构上有用，而且在功能上也有用(如储能)的碳纤维。

若要纤维储存能量，则需有空间将离子放入其中。理想情况下，可将碳纤维设计成具有均匀微孔分布的结构，如同海绵，以储存能量离子。目前，研究者已研发出一种工艺，首次制备出具有均匀孔径和间隔分布的多孔碳纤维。

2 使用嵌段共聚物制备多孔碳纤维

以两种聚合物分子——聚丙烯腈(PAN)和聚丙烯腈-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为原料，通过多步骤的化学过程，可制备孔径和间隔均匀的多孔碳纤维。PAN作为一种碳纤维前驱体聚合物，在聚合物化学领域广为人知。PMMA则为一种固定位置材料，在被移除后形成孔隙。以往，其他的化学工作者通常是将PAN和PMMA分别制成溶液后混合，制备多孔碳纤维，所得碳纤维的孔径和间距不同。纤维内孔的孔径分布越均匀，其表面积越大，则可更大限度地储存能量。

目前市场上有两种传统的多孔碳纤维生产方法。第一种方法(方法一)如图1a)所示，纯PAN经静电纺丝形成纤维毡，在空气中于280 ℃下氧化成交联PAN(蓝色)，然后在氮气中于800 ℃下热解形成碳纤维(灰色)。为直观地说明，对单根聚合物纤维进行了放大显示。第二种方法(方法二)如图1b)所示，PAN与牺牲相PMMA(红色)混合，形成聚合物共混物。聚合物共混物经氧化后发生宏观相分离，形成不均匀区域。热解后除去PMMA，可形成不均匀的孔结构。新方法如图1c)所示，PAN-b-PMMA嵌段共聚物经氧化和自组装后，形成均匀的PMMA纳米微区(红色)，均匀分布在PAN基体(蓝色)中。热解后形成的多孔碳纤维孔径控制良好，孔的分布均匀。

图1 由各种聚合物前驱体合成碳纤维

3种方法制备的多孔碳纤维的扫描电子显微镜(SEM)图如图2所示。

图2 3种方法制备的碳纤维的SEM图

由图2可以看出，采用PAN-b-PMMA作为前驱体制备的多孔碳纤维，其孔径和间隔更均匀。

在实验室合成嵌段共聚物后，其黏性溶液经过三步化学过程，即可制得多孔碳纤维。第一步是静电纺丝，这是一种利用静电力使溶液形成纤维束并最终固化成类似纸张材料的方法。接着，对聚合物进行热氧化。在该步骤中，PAN和PMMA自然分离并自组装成均匀分散有PMMA微区的PAN纤维。

在最后一步的热解过程中，将聚合物加热至更高的温度。这一过程将PAN固化成碳纤维并去除PMMA，在纤维中留下相互连接的介孔和微孔。

3 能源储存的新的可能性

尽管本文的工艺突破进一步提升了碳纤维这种高性能工程材料的性能，但其更大的价值可能是实现了采用嵌段共聚物制备能用作储能材料的多孔结构材料。