纺织工程专业背景下“纳米纤维及其新能源应用”课程实践设计探索

王 赫，王洪杰，阮芳涛，魏安方

(安徽工程大学，安徽 芜湖 241000)

纺织工业作为我国重要的传统支柱型产业，目前已形成全球规模最大、最完善的产业体系，生产制造能力与国际贸易规模均处于世界领先地位[1]。在我国的“十四五”规划中，对智能可穿戴、智能柔性材料、新型化工材料以及高性能纤维等纺织类产业已提出明确的需求。纺织工程专业主要探索纺织纤维及其聚集体的结构、功能、性能、设计、加工、整理、复合、应用、回收等要素及其相互关系和规律[2]。纺织工程专业可以为纺织行业的新型高效、低能耗、柔性化、自动化、数字化、智能化发展和技术创新输送高素质应用型人才[3]。

一、背景及意义

聚丙烯腈(PAN)是一类常用的高分子材料，聚丙烯腈纤维被称之为腈纶，是纺织产业重要的原材料之一。此外，该材料还具有良好的静电纺丝加工性，是制备纳米纤维的常用前驱体材料。聚丙烯腈纳米纤维分子链具有腈基(-CN)，在低温条件下(200℃～300℃)，可以与氧结合形成稳定的梯形结构，提升了纤维的耐热性能，当温度继续升高，在惰性气体环境中小分子被逐渐分解掉，最终形成碳纳米纤维[4-6]。碳纳米纤维作为高分子纳米纤维的衍生物，展现出较高的比表面积和孔隙率，以及优异的导电性，在能源存储领域中展现出巨大的应用潜力[7-8]。

二、实验设计

(一)目的

1.掌握制备聚丙烯腈纳米纤维的加工方法，明确静电纺丝原理；

2.掌握制备碳纳米纤维的加工方法，明确成碳原理；

3.掌握制备超级电容器电极的方法以及电化学测试方法。

(二)原理

1.静电纺丝原理

图1显示了静电纺丝原理示意图。高压电源在喷射针头与接地电极间形成一个几千至几万伏的高压电场，在大电场力的作用下迫使针管里的聚合物溶液克服表面张力，形成泰勒锥。在电场力的拉伸和自身重力的双重作用下聚合物液滴形成曲状循环的形状，随着溶剂的挥发和自身的冷却凝固，在收集装置上形成微米或纳米尺度的纤维。可以通过控制纺丝参数来调节纤维的直径大小以及取向分布。

图1 静电纺丝原理示意图

2.碳纳米纤维成型原理

碳纳米纤维的形成一般要经历以下3个过程：一是纳米纤维的制备：采用静电纺丝法制备PAN基纳米纤维，原理同(1)；二是稳定化：在稳定化过程中，将纳米纤维在200℃～300℃ 的空气中进行热处理，PAN基纳米纤维经历复杂的物理和化学变化，例如，腈的环化、脱氢、氧化、交联、芳构化和环化等，此时PAN 分子转换为环状化合物，形成稳定的梯形结构，提升纳米纤维的热稳定性，从而使其在高温碳化过程中保持完整的纤维形貌。三是碳化：在碳化过程中，将稳定化的纳米纤维在惰性气体(氮气、氩气等)条件下进行热处理，碳化温度往往高于800 ℃，在高温条件下小分子被分解掉，逐渐形成六元环的碳质结构。随着温度逐渐升高，微晶沿纤维轴依次排列和取向。

3.双电层储能原理

图2显示了双电层储能原理示意图。双电层电容器是通过电极与电解质形成的界面双电层来储存电荷从而实现能量的存储。具体过程如下：在电极(固态)与电解质(液态)界面间形成一个双电层。在充电时，两个电极间产生电压，正极板聚集负离子，负极板聚集正离子，在正负极板间形成极性相反的双电荷层。在放电时，正、负极板上的正、负离子又重新返回到电解质中，维持电势差稳定。

图2 双电层储能原理示意图

(三)材料与仪器

实验材料：聚丙烯腈(重均分子量为150000)；N，N-二甲基甲酰胺(DMF，分析纯)；无水乙醇(分析纯)；聚四氟乙烯乳液(PTFE，60 wt%)；导电炭黑(CB)；氢氧化钾(KOH，分析纯)。

实验仪器：JDF05型高压静电纺丝机(长沙纳仪有限公司)，GSL-1600X型管式碳化炉(合肥科晶材料技术有限公司)，电化学工作站(武汉科斯特有限公司)。

(四)内容

1.静电纺纳米纤维的制备

将粉末状PAN倒入装有DMF的锥形瓶中，利用磁力搅拌器在60 ℃条件下连续搅拌至少 4小时，直至形成均一透明的溶液。在实验过程中，控制PAN溶液的总浓度为 10 wt%。然后，采用静电纺丝加工技术将PAN溶液纺制成纳米纤维。具体参数如下：纺丝距离、外加电压、推进速度和滚筒转速分别设置为 15cm、20kV、1.0ml/h和200 rad/min，使用铝箔作为接授材料收集纳米纤维。

2.碳纳米纤维的制备

将所制备的纳米纤维在管式炉中进行预氧化和碳化，以 2 ℃/min 的升温速率在 260 ℃空气中保持 1 小时。然后以 5 ℃/min 的升温速率将温度升至为 1000 ℃，并在 1000 ℃氮气中保持 2 小时，得到PAN碳纳米纤维。

3.超级电容器电极的制备及电化学性能测试

将碳纳米纤维在玛瑙研钵中研磨成粉末，然后将粉末状的碳纳米纤维、CB和PTFE乳液按照 8:1:1 的质量比混合于无水乙醇中，用玻璃棒均匀搅拌，直至形成粘稠的混合浆料。接下来，将浆料均匀涂敷在面积为 1 cm2的正方形泡沫镍上，并控制涂敷材料的质量为 2 mg，最后在 80 ℃的烘箱中放置12小时得到电极材料。

4.技术路线图

整个实验的技术路线如图3所示。

图3 技术路线图

三、教学过程

(一)实验准备

本实验的准备环节要求学生做到以下几点：一是检索阅读相关文献，了解研究的背景及意义；二是进行分组讨论，通过对文献的理解独立设计实验方案，明确技术路线；三是准备合适的材料与试剂，并协助教师进行采购；四是掌握静电纺丝技术、碳化技术以及电化学测试方法；五是充分了解实验仪器的操作流程和安全注意事项；六是学习如何维护实验设备。

(二)实验过程

首先，学生分组进行汇报，教师针对汇报内容进行评估，掌握学生文献阅读的情况。其次，教师讲解实验原理、步骤以及注意事项。遵从由浅入深原则，让学生对实验原理、实验步骤以及实验设备的使用有一个从简单了解到深入理解的过程。最后，再安排一次开放性的小组讨论，让学生从实验方案的优化、实验中遇到的问题、产品的应用以及环境风险评估等方面进行讨论，让学生能够系统全面认识整个实验过程，了解新型纺织领域，提升学习兴趣。

(三)实验报告撰写

本实验属于验证性实验，要求学生撰写实验报告，实验报告的主要内容包括：实验时间、实验地点、实验目的、实验原理、实验步骤、实验结果与讨论、实验结论以及参考文献，通过实验报告的撰写来提升学生的科技论文写作和科研总结的能力。

(四)实验考核

本实验中涉及到多门基础课和专业课的知识，重点考察学生对专业知识的理解能力，实验操作能力以及利用专业知识解决工程问题的能力。因此，实验考核内容应该包含学生实验操作情况，对专业理论知识的掌握程度以及实验结果等方面。实验成绩包含以下3个方面：一是实验准备(20%)，主要考察学生文献检索与阅读情况和实验方案制定的合理性；二是实验表现(30%)，主要考察学生实际操作能力，沟通与协作以及现场解决问题的能力；三是实验报告(50%)，主要考察学生运用科技论文写作语言撰写实验报告的能力，对测试结果进行处理与分析，得出正确结论的能力。

(五)实验拓展

实验拓展举例：一是对静电纺加工技术感兴趣的同学可以通过调控纺丝参数，研究纺丝参数对纤维直径以及直径分布的影响规律，确定合理的参数范围；二是对碳化加工感兴趣的同学可以通过调控碳化温度，研究碳化温度对碳纳米纤维石墨化结晶程度的影响规律，确定最佳的碳化温度；三是对应用感兴趣的同学可以探索碳纳米纤维在不同领域中的应用，例如，吸附领域、能源储存与转换领域等。

四、结语

纺织工程专业所设立的课程多以传统型纺织类课程为主，缺少新型的纺织类专业课程及实践教学内容，为让学生更加全面地认识纺织工程专业，提升学生对纺织行业的热爱程度，笔者将科研课题与新开设的课程“纳米纤维及其新能源应用”相结合，设计了一项“高分子纳米纤维衍生物-碳纳米纤维的制备及其在超级电容器中的应用”的课程实验，该实验包含了“纺织材料学”“有机化学”“高分子化学与物理”“文献检索与阅读”和“科技论文写作”等多门课程的知识点。在教学过程中注重让学生独立自主完成实验设计，通过文献检索与阅读的方式获取相关背景知识，明确实验原理，在教师的指导下完成实验操作，最后根据实验结果撰写实验报告。