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静电纺丝之您想知道系列—PAN(聚丙烯腈)
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静电纺丝之您想知道系列—PAN(聚丙烯腈)

  • 来源:原创
  • 浏览次数:
  • 日期:2021-01-27 16:49

【概要描述】本文介绍静电纺丝PAN材料的性质、应用领域、制备流程、常见纺丝工艺问题及解决方法。

静电纺丝之您想知道系列—PAN(聚丙烯腈)

【概要描述】本文介绍静电纺丝PAN材料的性质、应用领域、制备流程、常见纺丝工艺问题及解决方法。

  • 分类:工艺解决方案
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  • 发布时间:2021-01-27 16:49
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 目录 

1.PAN材料的性质

2.静电纺PAN的应用

3.静电纺PAN流程

4.常见纺丝问题及解决方法  

1.PAN材料的性质 

聚丙烯腈(英文:Polyacrylonitrile,PAN)是由单体的丙烯腈经过自由基聚合反应而得到高分子材料。聚丙烯腈为白色粉末状,密度为1.14-1.15g/cm,玻璃转化温度约为95℃,熔化温度为322℃。它溶于二甲基甲酰胺 ( DMF ) 、二甲基亚砜 ( DMSO )、环丁砜、硝酸亚乙基酯等极性有机溶剂,还能溶于硫氰酸盐、过氯酸盐、氯化锌、溴化锂等无机盐的浓水溶液,以及浓硝酸等特殊溶剂。其中,DMF被广泛用作PAN的溶剂,因为其极强的溶解性和较高的介电常数。PAN纤维具有良好的耐日光性与耐气候性,防霉和防菌性能良好。这是由于PAN的腈基中的碳、氢原子间以一个σ键,二个π键连接,这种结构能吸收能量较高的紫外光并转化为热能,从而保护主键不降解。PAN是制备碳纤维三大前体 ( PAN、沥青和粘胶纤维 ) 中,用量最大的一种材料。选用PAN作为碳纤维制备前体的优点是碳化收率高 ( 1000℃~1500℃为50%~55% ),并且在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏。均聚PAN和共聚PAN均可用于制备碳纤维,虽然均聚PAN具有结晶度高和链结构规整等优点,但由于在预氧化过程中易集中放热,使PAN纤维热烙或难维持形貌,所以在碳纤维生产中,一般选择共聚PAN作为原丝制备的原料,通常采用的共聚单体有丙烯酸 ( AA ) 、甲基丙烯酸( MMA ) 、衣康酸 ( IA ) 等。

图1 聚丙烯腈结构式  

2.静电纺PAN的应用 

(1) 空气过滤:纤维空气过滤材料是由许多排列复杂的纤维搭建而成,传统的纤维空气过滤材料的孔径较大,即使是过滤性能较好的熔喷过滤材料的孔径也在十至几十微米,过滤细小颗粒的效果并不良好。PAN纳米纤维膜不仅具有孔径小、孔隙率高(蓬松)、比表面积大、吸附性能好等优点,而且具有良好的耐溶剂性、耐日晒性及耐老化性,非常适合应用于空气/水体过滤材料。

图2 空气过滤网

(2) 碳纳米纤维:静电纺PAN是批量制备碳纳米纤维前体最简单、经济的一种方法,后经预氧化、碳化处理可得到碳纳米纤维。碳纳米纤维的直径一般为100~500nm,是介于CNT和普通碳纤维之间的准一维碳材料,具有较高的结晶取向度、较好的导电性和导热性能,可用作超级电容器和锂离子电池的负极材料。

图3 锂离子电池结构

(3)重金属离子和染料吸附材料:重金属离子污染和有机染料化合物污染,对生态环境和居民健康都造成了严重危害。由于PAN 大分子上具有大量侧基-CN ,并且-CN 具有极性强、活性高的特点,使PAN可与许多小分子化合物发生物理或化学作用,从而实现PAN 纤维的改性,赋予纤维新的所需性能。其中,通过对PAN纳米纤维表面进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,可与金属离子形式配位键,再加上其具有纤维直径小、比表面积大等优点,使其在重金属离子吸附以及染料吸附等领域具有潜在的应用前景。

图 4 重金属污染

(4) 吸音材料:传统吸音材料主要有吸音棉、空间吸声体、穿孔板、吸音泡沫等,相比于传统吸音材料静电纺PAN纳米纤维材料具有蓬松度高、孔隙率高、孔径小、比表面积大、质轻等优势,从而使声波与材料的有效接触面积增大,接触次数增加,从而提高了材料对声能的空气粘滞、热传导、纤维振动、摩擦等作用转化为机械能或热能损耗,故其在吸音降噪领域有着巨大的应用前景。    

图5 噪声污染

3. 静电纺PAN流程

3.1主要材料和仪器:

(1) 纺丝材料:PAN粉末,分子量5万-20万;DMF (或DMAc)溶剂,分析纯。

(2) 实验仪器:50mL锥形瓶、磁力搅拌器、水浴锅、电子天平、E05静电纺丝机。

3.2纺丝液配置:

使用电子天平称取一定质量溶剂DMF于锥形瓶中,加入磁力搅拌子,置于水浴锅中搅拌;再称取一定质量的PAN,缓慢加入搅拌的锥形瓶中;盖紧瓶盖,防止水汽进入锥形瓶;设置水浴温度为60℃,连续搅拌溶解4h,至溶液澄清透明(或透亮金黄色),即可得到一定质量浓度的PAN纺丝液。

常见PAN纺丝液质量浓度为5% -15%; 溶剂体系为DMF 或DMAC。

3.3纺丝过程及参数:

将上述PAN纺丝液抽到20mL注射器中,注射器固定到纺丝机注射泵上,装上20G (1/2 英寸,平口)不锈钢针头,针头接高压电源正极,接收辊筒接高压电源负极,辊筒上贴上接收基材;调整接收距离为15-20cm;设置注射泵规格为20mL,供液速度2mL/h ,辊筒转速300转/min,滑台行程20cm,纺丝电压正15kV,负5kV,温度35℃,湿度40%,定时120min,最后关闭设备门,开启排风。

常用静电纺接收基材:铝箔纸、离型纸、无纺布、筛网布等。   

4.常见纺丝问题及解决方法 

(1) 扫描电镜下,纤维上串珠较多:一般是纺丝液的中PAN浓度太低,导致纺丝液粘度不够,建议继续提高PAN浓度。通常情况下,随着纺丝液浓度的升高,纺出来的产物会从微纳米颗粒、串珠纤维、均匀纤维到粗纤维,这一过程转变;另外PAN分子量太小,PAN分子在溶液中缠结不足,也会导致纤维产生串珠,不建议使用分子量太低于的PAN原料。

(2) 纺丝过程中,针尖挂丝、飘丝:一般是纺丝环境湿度过高,纺丝射流在空气中吸湿提前固化并且纤维上电荷中和,导致纤维带电量下降,导致纤维拉伸性能减弱,所受电场力减弱,不足以吸附到接收极。可以尝试除湿机除湿或者加热除湿解决。

(3) 纺丝液保存过程中,发生凝胶:PAN纺丝液易吸收空气中水气而凝固,因而需在干燥密闭的条件下保存,建议现配现用或者密封保存15天内使用。

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