DOI: 10.3390/polym13081313

碳纳米纤维非织造布是一种很有前途的电极或过滤材料，但由于缺乏高通量的生产方法，其应用受到限制。在这项研究中，作者利用一种高效的高通量方法在专用基材上制备了聚丙烯腈（PAN）纳米纤维非织造布。该方法利用旋转力、空气压力和静电力由旋转钟内边缘向偏平收集器处制备纤维。作者研究了所有上述作用力对碳纤维前体PAN纤维的纤维直径、形态和成束的影响。径向力与面向收集器的力之间的相互作用会影响纤维沉积的均匀性。最后，通过热处理将获得的PAN纳米纤维转化为碳非织造材料。

图1.加工参数对纤维直径的影响。（a）PAN浓度mPAN（作为粘度的指标），（b）转速ω，（c）电场强度V和（d）气流p与所得PAN非织造布平均纤维直径d的关系图（请参阅补充信息中的实验部分）。在（a-d）中，相对湿度保持在30％，I=150μA，mPAN=14wt％（a中除外），ω=30krpm（b中除外），V=70kV（c中除外）），p=0.75bar（d中除外）。在（a）中，必须对ω进行调整（从16增至26krpm，从而增加mPAN），以便能够完全收集纤维。

图2.径向离心力和同轴定向气流在纤维沉积图案上的相互作用。铝收集器尺寸为45×45厘米，拐角由白色三角形表示。

图3.纤维位置对各种无纺布纤维直径和纤维直径分布的影响。（a）在铝箔上沉积的无纺布的照片。沿箭头的交叉点表示从无纺布中心到外围的（b）取样点。（b）绘制的纤维直径与（a）中所示样品中心点距离的关系图（红色：34krpm；黑色：22krpm）。（c-e）由c）mPAN=16wt％，（d）12wt％和（e）8wt％纺制的PAN纳米纤维非织造布的SEM图像和纤维直径直方图。（c），（d）和（e）中的比例尺代表10μm。

图4.外加电流对纤维形态的影响：（a）75μA，（b）150μA和（c）300μA。（a），（b）和（c）中的比例尺代表30μm。

图5.离心静电纺丝生产的非织造布的碳化。（a）原始，（b）稳定和（c）碳化PAN非织造布的SEM图像。（d）原始纤维，（e）稳定纤维和（f）碳化PAN非织造材料的纤维直径直方图。（g）平均纤维直径随热处理温度的变化。（h）原始（红色），稳定（蓝色）和碳化（黑色）PAN无纺布的红外吸收率。（a），（b）和（c）中的比例尺代表3μm。