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活性碳纖維電紡布其孔洞特性的研究 國立台灣科技大學 高分子工程所 蘇清淵、黃耀賢 摘要 本研究以聚丙烯腈為原料，首先利用靜電紡絲機台製作奈米纖維布，再利用箱型式高溫爐先製成氧化纖維布為基材探討其碳化、活化後的吸附性質，實驗中利用直立連續半開放式高溫爐，通以水蒸氣為活化源，藉由不同的加工條件，包括不同的喂布速度（10 cm/min、20 cm/min、30 cm/min）以及不同的活化源供給量（80 ml/min、120 ml/min、160 ml/min），製備出各種條件的活性碳纖維電紡布。由氮氣等溫吸附測試得知，實驗樣品的孔洞大多以微孔和中孔居多。結果顯示當喂布速率為 10 cm/min、活化源 120 ml/min 時其比表面積最佳值可高達 1114(m2 /g)。 關鍵詞：靜電紡絲、活化工程、比表面積、活性碳吸附材 ABSTRACT Firstly, we utilized an Electrospinner (ES) to produce precursor of PAN-based oxidized nanofibers non-woven fabrics from Polyacrylonitrile (PAN) fiber solution. In the experiment, we investigated the pore characteristics of the activated carbon ES fiber by changing parameters of the carbonization and activation based on the PAN-based oxidized fabrics. The results showed that using 120ml/min flow rate of steam as the activator and 10cm/min production rate are the optimum production conditions to gain the higher BET surface area of 1114 m2 /g. In addition, most pores appeared as micropores and medium pores by the analysis of adsorption i s o t h e r m s o f n i t r o g e n a t 7 7 oK . KEYWORD：Electrospinning、activation、BET、absorbent 一、前言 靜電紡絲是一種可以生產極細纖維的方法，這種生產方法最早是在 1934 年被創造出來的，世界上第一篇專利是由 Formhals 所發表出來的【1】，從此之後很多專利和出版品都依據靜電紡絲原理而衍生出來。靜電紡絲是一種可以生產極細纖維的方法，藉由高電壓作用在高分子溶液上纖維直徑的範圍從 10 µm 到 10 nm，是藉由熔融態或溶液態的高分子通過噴嘴後施加高壓電荷從 5 kv 到 30 kv 使其足夠超越高分子表面張力【6】使其溶液拉伸成長纖維然後凝結固化，它們有著極小的尺寸可以進階的應用在隔離膜【2】、複合材料【3】 、生醫工程 【4】、它們有著高的比表面積將其碳化、活化可當吸附材使用及導電性材料等眾所週知的應用範圍【5】，碳纖維也有著廣大的應用範圍在結構複合材上。 一般製備活性碳纖維有兩種方式：化學活化法及物理活化法。本實驗是在活化工程中以物理活化為研究方法。利用靜電紡絲技術生產具有次微米尺寸纖維的不織布，經氧化處理，再經由直立連續半開放式高溫爐進行碳化、活化工程生產出活性碳纖維電紡不織布製成前驅體，並探討其孔洞吸附性質。 二、實驗 將聚丙烯腈原料（PAN）溶解在 N-N Dimethylformamide（DMF），溶液調配之重量百分比為 DMF/PAN=85/15(w/w)，再將其溶液置於靜電紡絲機台使其溶液由噴嘴頭噴出，選用泰勒錐形 20號的紡絲針頭，在噴嘴頭接上正電荷而在收集板上接上負電荷，將其電壓調成 30-50 kv，從針頭到收集板的隔距為 20 公分，其噴射出的纖維將會落在收集板上而逐漸形成不織布型態；再進行氧化工程，使其內部纖維結構穩定化，氧化條件為 1℃/min 上升到 300℃【7】，然後持溫半小時，製成氧化纖維布再將其送進直立連續半開放式高溫爐，進行碳化、活化工程，高溫爐最高溫度設定為 1000℃【7】，並以水蒸氣為其活化源，喂布速率為 10cm/min、20cm/min、30cm/min，配合不同的活化源供給量為80ml/min、120ml/min、160ml/min，製造出各種條件之活性碳纖維布，實驗中另以掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀察其孔洞分佈，比表面積和孔洞尺寸大小經由比表面積/孔隙度分析儀(MICROMERITICS ASAP 2010)利用 BET 方程式分析。 三、實驗設備 3.1 實驗材料 係由東華合纖股份有限公司提供之聚丙烯腈320 k 之纖維束，單根纖維細度約 2 丹尼。 （1）玻璃轉移點溫度（Tg）：82℃ （2）熔點（Tm）：238℃ （3）比重（g/cm3 ）約為：1.16~1.2 。 3.2 實驗藥劑與氣體 （1）二甲基甲醯胺（N,N-dimethyl Formamide,D.M.F，HCON(CH 2 ) 2 ） （2）空氣（Air） （3）液態氮（Liquid Nitrogen）：N 2 （4）高純度氮氣（High purity Nitrogen）：N 2 （5）高純度氮氣（High purity Helium）：He 3.3 實驗設備與測試儀器 （1）靜電紡絲機台（係由紡織綜合研究所提供） （2）自行設計之氧化夾具及機台 （3）箱型式高溫爐 （4）直立連續半開放式高溫爐 （5）掃瞄式電子顯微鏡(SEM)：Cambridge SEM S360 （6）比表面積/孔隙度分析儀(MICROMERITICS ASAP 2010) (7) 高解析度場發射掃描式電子顯微鏡 (High Resolution Field-Emission Scanning Electron Microscope): JEOL JSM-6500F 四、結果與討論 Fig.1 為不同活化源供給量之比表面積圖，結果顯示，比表面積隨喂布速率越慢且活化源增加時而增加，當喂布速率放慢時，樣品經過碳化、活化的作用時間變長，樣品內部進行的脫氮反應越完整，纖維內部氮氣脫除時則越容易形成微狀的小孔，其比表面積相對的比喂布速率快的樣品高；當改變活化源供給量，結果發現活化源增加時，比表面積相對增加，是因為活化源會攻擊纖維表面而產生孔洞，但是當活化源升高時，其水分子因為氣化不完全，附在纖維上成凝集狀態，而後先攻擊樣品為大孔，形成中孔，進而再形成微孔，導致微孔比例下降，比表面積跟著下降。也就是說孔隙度會隨著喂布速度變慢而逐漸增加，孔洞的寬度也逐漸加大，當活化量超過一定的量時，會產生過活化現象，此時，樣品表面會被嚴重侵蝕造成孔洞體積跟