【技术干货】一文详细了解韩国多功能碳材料实验室的新型碳纤维制备技术
碳材料的形式各种各样，包括石墨、碳纤维、碳纳米管和活性炭等，这些碳材料广泛应用于电子、电磁、电化学、环境和生物医学等领域，从商品（如铅笔头）到高科技制成品（如储能装置中的阳极材料、航空航天材料用碳纤维基复合材料），碳材料始终是一个研究热点。
各种碳材料形式，从左上顺时针方向：石墨电极、碳纤维、碳纳米管（TEM 图像）和活性炭粉
碳纤维是纤维状碳材料的总称，主要由聚丙烯腈（PAN）、人造丝（黏胶）和沥青三种前驱体制备，通过纺丝、热处理（如预氧化、碳化和石墨化）等过程制备而成。在这些过程中，预氧化和碳化是决定碳纤维力学性能的关键步骤，因为在这些阶段形成了由多芳烃碳层组成的有序结构。
碳纤维制备过程示意图
例如，如果空气中的氧气没有在前驱体纤维内部均匀扩散，这种不均匀氧化的纤维会产生性能较差的碳纤维。此外，合理设计的碳化工艺可以控制有机物向碳纤维的转化，有效地消除杂元素（H、N、O和S），提高碳纤维的结构有序度。
因此，预氧化和碳化的方法和条件被视为发展有序石墨碳结构和减少碳纤维表面和内部缺陷的关键变量。韩国多功能碳材料实验室科研人员通过改变加热速率、起始温度和终温等加热条件，对预氧化和碳化过程进行了系统的机理研究。主要开发了以下几种新型技术：
经过等离子体处理的 PAN 纤维的碳纤维（Carbon, 2013, 55, 361）
由电子束辐照的纺织级 PAN 纤维制成的碳纤维（Carbon，2017，118，106）
不同炭化温度炭化沥青纤维的力学研究
不同碳化温度下沥青纤维中碳结构的演变 （J. Anal. Appl. Phys. 2018, 136, 153）
沥青基碳纤维力学性能与关键参数之间的关系
具有不同稳定加热速率的沥青基碳纤维的机械性能和 SEM 图像（J. Ind. Eng. Chem. 2018, 58, 349）
通过拉曼光谱获得的碳纤维的热导率（ J. Ind. Eng. Chem. 2019, 78, 137）
该实验室也会开展从废料中制造碳纤维技术研发，废料包括废弃的塑料、家禽羽毛废料和木质素，其中木质素是一种造纸工业废品。目前实验室正在研究以聚乙烯、鸡毛粉和化学功能化木质素为原料生产各种碳材料，包括碳纤维和活性炭。
塑料废物转化为碳纤维的流程图
从 LLDPE 升级回收的碳材料具有高导电性（Chem. Mater. 2017, 29, 9518.）