Activated carbon nanofibers (ACNF) were prepared from polyacrylonitrile (PAN)-based nanofibers using $CO_2$ activation methods with varying activation process times. The surface and structural characteristics of the ACNF were observed by scanning electron microscopy and X-ray diffraction, respectively. $N_2$ adsorption isotherm characteristics at 77 K were confirmed by Brunauer-Emmett-Teller and Dubinin-Radushkevich equations. As experimental results, many holes or cavernous structures were found on the fiber surfaces after the $CO_2$ activation as confirmed by scanning electron microscopy analysis. Specific surface areas and pore volumes of the prepared ACNFs were enhanced within a range of 10 to 30 min of activation times. Performance of the porous PAN-based nanofibers as an electrode for electrical double layer capacitors was evaluated in terms of the activation conditions.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1991.04a
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pp.111-116
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1991
In order to discuss the mechanical properties of carbon fiber reinforced polymer impregnated cement composties with silica powder, experimental studies on CFRC were carried out. The types of fiber used which are in CFRC are PAN-based carbon fiber and Pitch-based carbon fiber. To examine the effects of types, length, contents of carbon fibers and matrices, their properties of fresh and hardened CFRC were tested. According to the test results, compressive, tensile flexural strength of polymer impregnated CFRC were remarkably increased more than that of air cured and autoclaved CFRC. Also, polymer impregnated CFRC were considerably effective in improving thoughness, freezing-thaw resistance and loss of shrinkage compared with air cured and autoclaved CFRC.
The carbonization and activation conditions for the PAN-based ACF of various grade were investigated to obtain the optimun activation condition with high surface area. And the surface properties and the absorption performance of toxic gas for terror were examined toward the PAN-ACF with the highest surface area. In the test results the surface area increased with increase of the activation temperature, but decreased with increase of the carbonization temperature. After carbonization condition ($900^{\circ}C$-15min) and activation condition ($900^{\circ}C$-30 min), we got the ACF with the highest surface area of $1204m^2/g$. In the absorption test of iodine and toxic gas for terror, this ACF showed more excellent absorption performance than the existing carbon-based adsorbent. Also, in order to give the function characteristic for a selective absorption, the stable nanoparticles of the Ag, Pt, Cu, Pd were prepared and impregnated on the PAN-based ACF in replacement of the existing method supporting metal catalysis. And were analyzed the surface characteristics and the $SO_{2}$ adsorption characteristics. In the $SO_{2}$ absorption performance test of the PAN-ACF with the impregnated nanoparticles, it wasn't change breakthrough time of Ag, Pt, Cu nanoparticle supported the PAN-ACF comparing with breakthrough time (326 sec) of the non supported PAN-ACF but Pd nanoparticle supported the PAN-ACF achieved excellent $SO_{2}$ absorption performance which has break-through time 925 sec.
In this study, the oxyfluorination of PAN-based carbon fibers was undertaken at room temperature using fluorine-oxygen mixtures, and the influence of oxyfluorination on properties was investigated. The surface characteristics of the modified fiber were determined by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and dynamic contact angle analyzer. The oxyfluorination of carbon fibers was one of the more effective methods to increase surface wettability by the formation of semicovalent C-F bond and C-O bond depending on reaction conditions. When oxygen mole fraction is increased from 0.5 to 0.9, it is probable that attached fluorine atoms at the surface of the fibers reacted with other components. As increased oxyfluorination time and decreased its pressures, semi-covalent peak is increased at 0.5 of oxygen mole fraction. The total surface free energy of oxyfluorinated carbon fibers decreased with increasing oxygen mole fraction over 0.5. These results indicate that the surface of carbon fibers became much more hydrophilic after the short oxyfluorination. The surface free energy of oxyfluorinated carbon fibers progressively decreased after 10 min treatment. The polar components of surface free energies were however, significantly higher for all oxyfluorinated samples than that for the untreated carbon fiber.
Milled carbon fiber (mCF) was prepared by a ball milling process, and X-ray diffraction (XRD) diffractograms were obtained by a $2{\theta}$ continuous scanning analysis to study mCF crystallinity as a function of milling time. The raw material for the mCF was polyacrylonitrile-based carbon fiber (T700). As the milling time increased, the mean particle size of the mCF consistently decreased, reaching $1.826{\mu}m$ at a milling time of 18 h. The XRD analysis showed that, as the milling time increased, the fraction of the crystalline carbon decreased, while the fraction of the amorphous carbon increased. The (002) peak became asymmetric before and after milling as the left side of the peak showed an increasingly gentle slope. For analysis, the asymmetric (002) peak was deconvoluted into two peaks, less-developed crystalline carbon (LDCC) and more-developed crystalline carbon. In both peaks, Lc decreased and $d_{002}$ increased, but no significant change was observed after 6 h of milling time. In addition, the fraction of LDCC increased. As the milling continued, the mCF became more amorphous, possibly due to damage to the crystal lattices by the milling.
Carbon nanotubes (CNTs) have been widely accepted and used as the enhancer for polymer nano-composites due to their remarkable mechanical properties. Understandably, the CNT fiber-polymer matrix interface plays a major role in determining the properties of the CNT-polymer nano-composites. Here, using the LCAODFT Lab tool available on the EDISON Nano-Physics site, we performed first-principles density-functional theory calculations to determine the atomic configurations and binding energies of the CNTs in contact with polymers. For the polymer matrixes, we chose poly(acrylonitrile) (PAN), which is one of the most well-known polymer matrixes for the carbon nanofiber nanocomposites. Different chiralities and diameters of pristine CNTs were considered, and several PAN-CNT configurations were prepared based on the atomistic positions and directions of cyano group in PAN. The most favorable configuration of PAN was obtained when the PAN bound parallel to the surface of CNT. Our finding indicates the binding configurations are determined by the direction of the cyano group dominantly rather than the atomistic position of PAN, or the symmetry of CNTs. The result of increasing the length of CNT diameter suggests that PAN is inclinable to align evenly on the surface of relatively large size of CNT with the configuration parallel to the surface. These results obtained in this study will provide the starting point for the design of improved PAN-CNT composites for the next-generation ultra-strong and ultra-light carbon nanofibers.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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1999.11a
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pp.40-43
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1999
Electrochemical surface treatment of PAN-based carbon fibers in acidic electrolyte has been studied in increasing the surface functional groups on fiber surfaces for the improvement of fiber-matrix adhesion of the resulting composites. According to the FT-IR and XPS measurements, it reveals that the oxygen functional groups on fibers are largely influence on the composite mechanical behaviors, whereas the nitrogen functional groups are not affected in the system. In this work, a good correlation between surface functionality and mechanical properties is established.
In order to improve the thermal stability of PAN-based electrospun fibers, AP-PER-MEL and $TiO_2$ were added in to the fibers as additives. The polymer composite with uniformly mixed additional agents was obtained. In case of non-treated sample, the fibers were burn off completely with high rate within $620^{\circ}C$. But in case of treated samples (EF-M and EF-MT), it is sure that the thermal stability was improved by studying TGA data and ISO flammability test about 20 and 30%, respectively. A synergy effect of adding two kinds of agents (AP-PER-MEL and $TiO_2$) into PAN-based electrospun fibers was confirmed. Through SEM images, it is confirmed that the fiber shape can be kept even after addition of agents (AP-PER-MEL and $TiO_2$). Finally the thermal stability of fibers was largely developed with keeping the nature of PAN-based fibers effectively.
Novel unsaturated polyester composites with PAN-based nanofiber, stabilized PAN nanofiber, and carbonized nanofiber webs have been fabricated, respectively, and the effects of the nanofiber web content on their electrical resistivity, the thermal stability, dynamic storage modulus, and fracture surfaces were studied. The result demonstrated that the introduction of just one single layer (which is corresponding to 2 wt.%) of the carbonized nanofiber web to unsaturated polyester resin (UPE) could contribute to reducing markedly the electrical resistivity of the resin reflecting the percolation threshold, to improving the storage modulus, and to increasing the thermal stability above $350^{\circ}C$. The effect on decreasing the resistivity and increasing the modulus was the greatest at the carbonized PAN nanofiber web content of 8 wt.%, particularly showing that the storage modulus was increased about 257~283% in the measuring temperature range of $-25^{\circ}C$ to $50^{\circ}C$. The result also exhibited that the carbonized PAN nanofibers were distributed uniformly and compactly in the unsaturated polyester, connecting the matrix three-dimensionally through the thickness direction of each specimen. It seemed that such the fiber distribution played a role in reducing the electrical resistivity as well as in improving the dynamic storage modulus.
Kim, Ki-Young;Park, Woo-Lee;Chung, Yong-Sik;Shin, Dong-Geun;Han, Jin-Wook
Carbon letters
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v.12
no.1
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pp.31-38
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2011
This study experimentally investigated dicyclohexylammonium 2-cyanoacrylate (CA) as a potential comonomer for polyacrylonitrile (PAN) based carbon fiber precursors. The P(AN-CA) copolymers with different CA contents (0.19-0.78 mol% in the feed) were polymerized using solution polymerization with 2,2-azobis(isobutyronitrile) as an initiator. The chemical structure and composition of P(AN-CA) copolymers were determined by proton nuclear magnetic resonance and elemental analysis, and the copolymer composition was similar to the feeding ratio of the monomers. The effects of CA comonomer on the thermal properties of its copolymers were characterized differential scanning calorimetry (DSC) in nitrogen and air atmospheres. The DSC curves of P(AN-CA) under nitrogen atmosphere indicated that the initiation temperature for cyclization of nitrile groups was reduced to around $235^{\circ}C$. The heat release and the activation energy for cyclization reactions were decreased in comparison with those of PAN homopolymers. On the other hand, under air atmosphere, the P(AN-CA) with 0.78 mol% CA content showed that the initiation temperature of cyclization was significantly lowered to $160.1^{\circ}C$. The activation energy value showed 116 kJ/mol, that was smaller than that of the copolymers with 0.82 mol% of itaconic acids. The thermal stability of P(AN-CA), evidenced by thermogravimetric analyses in air atmosphere, was found higher than PAN homopolymer and similar to P(AN-IA) copolymers. Therefore, this study successfully demonstrated the great potential of P(AN-CA) copolymers as carbon fiber precursors, taking advantages of the temperature-lowering effects of CA comonomers and higher thermal stability of the CA copolymers for the stabilizing processes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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