PAN微纳米球自组装制备高纯度多壁碳纳米管及生长机理

本项目提出一种以聚丙烯腈（PAN）微纳米球自组装制备多壁碳纳米管的新方法，并对其生长机理进行研究。前期研究表明，丙烯腈单体通过无皂乳液聚合获得PAN微纳米球，经干燥、氧化、炭化自组装，可以制备出高纯度大长径比的多壁碳纳米管，自组装过程无需任何添加剂（催化剂等）且收率高达30%（相对PAN）。重点研究PAN微纳米球的自组装成线、拉伸变形及空心化成管等结构转化过程原理，特别是研究自组装过程驱动力及其控制因素，以实现多壁碳纳米管结构的精准控制；对比研究此方法与现有工艺制备的多壁碳纳米管主要性质与结构区别。研究结果将对多壁碳纳米管的生长机理做进一步的发展，丰富碳纳米管制备理论，同时获得一种大批量低成本易于工业化的制备高纯度多壁碳纳米管的工艺路线。

本项目发展了一种以聚丙烯腈（PAN）微纳米球自组装制备多壁碳纳米管的新方法，系统地研究了PAN碳微纳米球的聚合条件、预氧化条件、以及炭化条件等对自组装制备的碳纳米管的形貌及机构影响。重点研究了自组装过程的控制因素，PAN碳微球的预氧化处理对后续的炭化过程中碳纳米管结构与收率起到非常关键的作用；经过非充分预氧化的PAN碳微球表层部分会形成一定程度的芳构化碳层，这些碳层结构的有序化转变倾向，进而形成结构更加稳定、体系能量更低更稳定的管状结构是自组装过程的原始驱动力。重点剖析了自组装过程中，PAN微纳米球由实心球型结构演化为空心的管状结构的转变原理，提出了“球-球串-管”的自组装结构转化模型。非分子动力学及动力学计算机模拟结果从微观上充分支撑和解释了实验中的宏观现象，实现了理论与实践的有效结合，深化了对碳纳米管自组装制备技术的理解，丰富了碳纳米管制备理论。为今后发展一种大批量低成本易于工业化制备高纯度多壁碳纳米管的工艺路线奠定了基础。