1. IntroductionElectrospinning prov

1. Introduction

Electrospinning provides a straightforward and cost-effective approach to produce fibers from polymer solutions or melts having the diameters ranging from submicrons to nanometers [1–4]. Various polymers have been successfully electrospun into ultrafine fibers in recent years mostly in solvent solution and some in melt form. Potential applications based on such fibers specifically used as reinforcement in nanocomposites have been realized [5]. PAN is the most widely used precursor for manufacturing high-performance fibers due to its combination of tensile and compressive properties as well as the high carbon yield [6]. Conventional PAN-based carbon fibers typically have diameters ranging from 5 to 10 um [7]. However, the electrospun PAN nanofibers are uniform with the diameters of approximately 300 nm [8, 9], which is more than 30 times smaller than their conventional counterparts. The high specific surface area of electrospun polymer and carbon nanofibers leads to the enhanced properties in various applications such as electrodes in fuel cells and supercapacitors. In spite of significant improvements in specific surface area of the PAN nanofibers, several drawbacks of polymer nanofibers are still present. For instance, the electrical conductivity of PAN is an order of μS/cm. The microstructures and the related mechanical and/or electrical properties of the electrospun carbon nanofibers are still not clear.

Carbon nanotubes (CNTs) possess several unique mechanical, electronic, and other kinds of characteristics. For instance, single carbon nanotube has a modulus as high as several thousands of GPa and a tensile strength of several tens of GPa [10]. It is found that reinforcement of polymers by CNTs may significantly improve their mechanical properties, thermal stability, electric conductivity, and other functional properties [11]. It has been shown that significant interactions exist between PAN chains and CNTs, which lead to higher orientation of PAN chains during the heating process [12]. These outstanding properties make the polymer nanofibers optimal candidates for many important applications. It is also noted that single-wall carbon nanotube- (SWNT-) reinforced polyimide composite in the form of nanofibrous film was made by electrospinning to explore a potential application for spacecrafts [13]. Carbon nanofibers for composite applications can also be manufactured from precursor polymer nanofibers [14]. Such kind of continuous carbon nanofiber composite also has potential applications as filters for separation of small particles from gas or liquid, supports for high temperature catalysts, heat management materials in aircraft, and semiconductor devices, as well as promising candidates as small electronic devices, rechargeable batteries, and supercapacitors [15]. Fibrous materials used for filter media provide advantages of high filtration effciency and low air resistance [16].

However, before full realization of their high performance, the following two crucial issues have to be solved: (i) dispersion and orientation of CNTs in the nanofiber [17, 18], good interfacial bonding is required to achieve load transfer across the CNT smatrix interface [19]; (ii) the macroscopic alignment in the nanofibers [20] and the orientation and crystallinity of polymer chains. Therefore, the manufacturing process and characterization methods for the microstructures and mechanical properties of PAN and PAN-based nanofibers have been studied in this paper.

Kết quả (Việt) 1:

1. giới thiệuElectrospinning cung cấp một phương pháp đơn giản và hiệu quả chi phí để sản xuất sợi từ polymer giải pháp hoặc tan ra có đường kính khác nhau, từ submicrons để nanometers [1-4]. Các polyme đã thành công electrospun vào ultrafine sợi trong năm gần đây chủ yếu ở các giải pháp dung môi và một số trong tan chảy hình thức. Tiềm năng ứng dụng dựa trên các sợi đặc biệt được sử dụng như tăng cường ở nanocomposites đã là thực hiện [5]. PAN là hầu hết các rộng rãi sử dụng tiền thân cho sản xuất hiệu suất cao sợi do sự kết hợp của độ bền kéo và độ nén tính chất cũng như các-bon cao mang lại [6]. Thông thường dựa trên chảo carbon sợi thường có đường kính khác nhau, từ 5 đến 10 um [7]. Tuy nhiên, electrospun PAN nanofibers là đồng nhất với đường kính khoảng 300 nm [8, 9], đó là hơn 30 lần nhỏ hơn đối tác thông thường của họ. Diện tích bề mặt cụ thể cao của electrospun polymer và cacbon nanofibers dẫn đến các thuộc tính nâng cao trong các ứng dụng khác nhau chẳng hạn như các điện cực trong tế bào nhiên liệu và supercapacitors. Mặc dù các cải tiến đáng kể trong khu vực cụ thể của bề mặt của chảo nanofibers, một số hạn chế của polymer nanofibers được vẫn còn hiện diện. Ví dụ, độ dẫn điện của PAN là một đơn đặt hàng của μS/cm. Các microstructures và các tính chất cơ học và/hoặc điện liên quan của electrospun cacbon nanofibers là vẫn không rõ ràng.Carbon nanotubes (CNTs) possess several unique mechanical, electronic, and other kinds of characteristics. For instance, single carbon nanotube has a modulus as high as several thousands of GPa and a tensile strength of several tens of GPa [10]. It is found that reinforcement of polymers by CNTs may significantly improve their mechanical properties, thermal stability, electric conductivity, and other functional properties [11]. It has been shown that significant interactions exist between PAN chains and CNTs, which lead to higher orientation of PAN chains during the heating process [12]. These outstanding properties make the polymer nanofibers optimal candidates for many important applications. It is also noted that single-wall carbon nanotube- (SWNT-) reinforced polyimide composite in the form of nanofibrous film was made by electrospinning to explore a potential application for spacecrafts [13]. Carbon nanofibers for composite applications can also be manufactured from precursor polymer nanofibers [14]. Such kind of continuous carbon nanofiber composite also has potential applications as filters for separation of small particles from gas or liquid, supports for high temperature catalysts, heat management materials in aircraft, and semiconductor devices, as well as promising candidates as small electronic devices, rechargeable batteries, and supercapacitors [15]. Fibrous materials used for filter media provide advantages of high filtration effciency and low air resistance [16].
However, before full realization of their high performance, the following two crucial issues have to be solved: (i) dispersion and orientation of CNTs in the nanofiber [17, 18], good interfacial bonding is required to achieve load transfer across the CNT smatrix interface [19]; (ii) the macroscopic alignment in the nanofibers [20] and the orientation and crystallinity of polymer chains. Therefore, the manufacturing process and characterization methods for the microstructures and mechanical properties of PAN and PAN-based nanofibers have been studied in this paper.

Kết quả (Việt) 2:

1. Giới thiệu Quay điện cung cấp một phương pháp đơn giản và hiệu quả chi phí để sản xuất sợi từ các giải pháp polymer hoặc tan chảy có đường kính từ submicrons để nanomet [1-4]. Polyme khác nhau đã được thành công quay điện thành các sợi siêu mịn trong những năm gần đây chủ yếu là trong dung dịch dung môi và một số ở dạng nóng chảy. Ứng dụng tiềm năng dựa trên các sợi đó đặc biệt dùng làm cốt thép trong nanocomposites đã được nhận ra [5]. PAN là tiền chất sử dụng rộng rãi nhất cho sản xuất sợi hiệu suất cao do sự kết hợp của độ bền kéo và nén đặc tính cũng như sản lượng carbon cao [6]. Sợi carbon PAN thường dựa trên thường có đường kính khác nhau, 5-10 um [7]. Tuy nhiên, các sợi nano quay điện PAN là thống nhất với đường kính khoảng 300 nm [8, 9], mà là nhỏ hơn so với các đối tác thông thường của họ hơn 30 lần. Diện tích bề mặt riêng cao của polymer và sợi nano carbon quay điện dẫn đến các thuộc tính nâng cao trong các ứng dụng khác nhau như điện cực trong các tế bào nhiên liệu và siêu tụ điện. Mặc dù những cải tiến đáng kể về diện tích bề mặt cụ thể của các sợi nano PAN, một số nhược điểm của các sợi nano polymer vẫn còn hiện hữu. Ví dụ, độ dẫn điện của PAN là một đơn đặt hàng của ms / cm. Các vi cấu trúc và các tính chất cơ học và / hoặc liên quan đến điện của các sợi nano carbon quay điện vẫn còn chưa rõ ràng. Các ống nano carbon (CNTs) có một số độc đáo cơ khí, điện tử, và các loại đặc điểm. Ví dụ, ống nano carbon duy nhất có một mô đun cao như vài ngàn GPa và độ bền kéo lên vài chục GPa [10]. Nó được tìm thấy rằng cốt của polyme của CNTs có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của họ, sự ổn định nhiệt, độ dẫn điện, và tính chất chức năng khác [11]. Nó đã được chứng minh rằng sự tương tác đáng kể tồn tại giữa các chuỗi PAN và CNTs, dẫn đến định hướng cao hơn của chuỗi PAN trong quá trình gia nhiệt [12]. Những đặc tính nổi bật làm cho các sợi nano polymer ứng viên tối ưu cho nhiều ứng dụng quan trọng. Cũng cần lưu ý rằng một thành carbon nanotube- (SWNT-) tăng cường các polyimide composite trong các hình thức của bộ phim đã được thực hiện bởi nanofibrous điện hóa để khám phá tiềm năng ứng dụng cho tàu vũ trụ [13]. Sợi nano carbon cho ứng dụng tổng hợp cũng có thể được sản xuất từ sợi nano polymer tiền thân [14]. Loại như vậy liên tục carbon sợi nano composit cũng có tiềm năng ứng dụng như các bộ lọc để tách các hạt nhỏ từ khí hoặc lỏng, hỗ trợ cho các chất xúc tác nhiệt độ cao, vật liệu quản lý nhiệt trong máy bay, và các thiết bị bán dẫn, cũng như các ứng cử viên đầy hứa hẹn như các thiết bị điện tử nhỏ, có thể sạc lại pin, và siêu tụ điện [15]. Vật liệu ép xơ được sử dụng cho phương tiện truyền thông bộ lọc có các lợi thế của effciency lọc cao và sức cản không khí thấp [16]. Tuy nhiên, trước khi thực hiện đầy đủ hiệu suất cao của họ, hai vấn đề quan trọng sau đây phải được giải quyết: (i) phân tán và định hướng của CNTs trong sợi nano [17, 18], liên kết bề tốt là cần thiết để đạt được truyền tải trên giao diện smatrix CNT [19]; (ii) sự liên kết vĩ mô trong các sợi nano [20] và các định hướng và độ kết tinh của các chuỗi polymer. Vì vậy, quá trình sản xuất và đặc tính phương pháp cho các vi cấu trúc và tính chất cơ học của PAN và sợi nano PAN dựa trên đã được nghiên cứu trong bài báo này.