DOI: 10.1021/acsami.1c02643
氧化石墨烯（GO）作為聚丙烯腈（PAN）基碳納米纖維(CNFs)的添加劑可優化其晶體結構并提高納米纖維的力學性能。然而，GO納米片在纏繞的PAN分子鏈間的均勻分散始終是一個難題，而GO的分散性較差嚴重限制了其對CNFs結構和性能的積極影響。針對這一問題，本文首次提出了可通過原位聚合快速、均勻地將GO引入PAN基納米纖維中，并從聚合、靜電紡絲和碳化三個階段系統地研究了GO對納米纖維結構的優化過程。在原位聚合過程中，PAN緊密附著在GO納米片上以形成PAN/GO納米復合材料，并且在整個紡絲過程中都保持了這種相互作用。PAN與GO的相互作用不僅改善了PAN分子鏈的排列，而且改善了最終渦輪層狀結構CNFs的晶粒尺寸。此外，還直接證明了GO納米片可促進納米纖維基體的結晶和取向。結果表明，當GO的添加量為0.5wt％時，CNFs的拉伸強度提高了2.45倍。總而言之，本文提供了一種將納米級添加劑有效引入PAN基納米纖維中的方法，并對制備添加GO的高性能CNFs進行了探討。
圖1.PAN/GO納米復合材料和復合納米纖維的制備示意圖。
圖2.聚合物產品的SEM圖像：GO（a），PAN（b）和PAN/GO納米復合材料（c）。（d）PAN/GO納米復合材料的元素圖譜。
圖3.PAN（a）和PAN/GO納米復合材料（b）的TEM圖像。（c）聚合物溶解過程的機理。
圖4.GO和具有不同GO重量分數的聚合物產品的FTIR（a）和XRD（b）光譜。計算出具有不同GO重量分數的聚合物產品的結晶度（c）和半峰全寬（d）。
圖5.（a）原位聚合過程的機理。（b）PAN和PAN/GO納米復合材料的分子量。（c）具有不同GO重量分數的聚合物產品的數碼照片。
圖6.納米纖維的SEM圖像：初紡納米纖維PAN（a1），P/G-0.1（b1），P/G-0.5（c1）和P/G-1（d1）；穩定化的納米纖維PAN（a2），P/G-0.1（b2），P/G-0.5（c2）和P/G-1（d2）；碳化納米纖維PCNF（a3），GRCNF-0.1（b3），GRCNF-0.5（c3）和GRCNF-1（d3）。（e）初紡、穩定和碳化納米纖維的直徑數據匯總。
圖7.超聲蝕刻的初生納米纖維的SEM圖像：PAN（a），P/G-0.1（b），P/G-0.5（c）和P/G-1（d）。具有不同GO重量分數的初生納米纖維的XRD光譜（e），計算的結晶度（f）和FTIR光譜（g）。
圖8.PCNF（a）和GRCNF-1（b-d）的TEM圖像。具有不同GO質量分數的CNFs的XRD光譜（e），XRD峰的半峰全寬（f），拉曼光譜（i），G-fwhm（g）和ID/IG（h）。（j）CNFs的晶體結構模型。
圖9.（a）帶材牽伸系統的示意圖。（b）具有不同GO重量分數的CNFs的拉伸強度。PCNF（c），GRCNF-0.1（d），GRCNF-0.5（e）和GRCNF-1（f）的橫截面SEM圖像。
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