基于碳纖維增強的聚合物可用于制造既輕又強的結構，在飛機機身、宇航設備等國防軍工領域極為重要。碳纖維的高強度和剛度在很大程度上取決于前體纖維的組成，目前，市場上超過96％的商品碳纖維前體材料都是由聚丙烯腈（PAN）經過高溫加熱（最高1700°C）和拉伸制成。在此過程中，PAN首先進行環化以構建梯形結構，然后碳化生成渦輪層無序結構。早在19世紀70年代，愛迪生就曾申請碳纖維的專利，但是由于力學性能不佳等因素，未能工業應用。20世紀50年代以來，由于國防軍工等領域的需要，以日本東麗、東邦、碳公司為主的各大企業開始碳纖維的工業化之路并占領市場。正所謂，魚與熊掌不可兼得。如何在拉伸強度和韌性之間進行平衡，一直是碳纖維這個相對“古老”研究領域的關鍵難題。近年來，得益于納米技術的快速發展，靜電紡絲制得的單根纖維可以同時是實現較好的強度和韌性。但是，幾乎所有納米材料都存在的一個通病是，一旦納米材料組裝或集成到宏觀尺度，就會導致某些性能的降低，碳纖維也是如此。
最近，德國拜羅伊特大學Andreas Greiner團隊及其合作者發現，一種簡單的策略可以同時增加PAN基纖維的拉伸強度和韌性。他們的方法原理在于，多根纏繞在一起的細絲比單根細絲更堅固，類似于中國的一句古話：“一根筷子容易斷，多根筷子折不斷”或者“一根線容易斷，萬根線能拉船”。
丙烯腈工業聚合和高效轉化為PAN前體，是一個復雜的多步過程，約占最終碳纖維成本的一半。因此，改善或替代PAN生產工藝可在很大程度上節省成本。由于PAN均聚物的溶解度有限，紡成纖維的能力也很差，并且在進行熱處理時會經歷不可控的放熱反應，這些缺點都使得其不適合轉化為碳纖維。為了改善基于PAN的前體纖維的性能，科學界和產業界做出了諸多努力，包括物理方法和化學方法。
一般來說，在PAN聚合過程中添加少量（2％到5％）的一種或多種共聚單體，可以促進可加工性。較為常用的是添加兩種共聚單體（如衣康酸和丙烯酸甲酯），將兩種不同的共聚單體沿著聚合物鏈的主鏈均勻地分布在合成上難度頗大，工藝復雜。另一種方法是，使用可以均勻分布的N-異丙基丙烯酰胺共聚單體。這種方法促進了環化反應，可以產生良好控制的梯形結構。提高PAN基前體纖維力學性能的另一種方法是分散碳納米顆粒等添加劑。研究表明，通過在凝膠紡絲PAN中添加碳納米管，纖維模量增加到20 GPa。通過添加0.5wt％石墨烯和制造多纖紗的雙重策略，碳化纖維的拉伸強度和楊氏模量分別增加了28％和20％，近年來，通過對分子量（聚合物鏈的長度）和分子量分布或多分散性（鏈長度的一致性）對碳纖維性能的影響的進一步理解。研究人員使用可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合技術開發了一種新型前驅體，該聚合體可以控制PAN聚合物鏈長。該前體具有受控的分子量并保持低的多分散性，與類似分子量的對照聚合物相比，前體和碳纖維的力學性能得到大幅提升。這些RAFT-PAN聚合物還具有更低的粘度曲線，從而促進了新的加工路線的發展。
十多年前，Chae和Kumar等人則強調了物理缺陷（例如空隙，鏈纏結和前體纖維中的異物）的影響。從那以后，大量的工作都集中在理解濕紡過程中纖維的凝結上。研究人員在制造過程的第一步中，將聚合物溶液擠出到水浴中，有效地鎖定了纖維的物理結構。Newcomb等人則發現了浴溫在產生不理想的內部孔隙率和菜豆形纖維中的重要性。其他研究人員為理解添加的溶劑在該浴中對控制纖維密度，直徑和形態的作用做出了貢獻。在前人的基礎上，近日，Andreas Greiner團隊巧妙綜合了化學方法和物理方法，通過少量（0-6 wt％）PEG-BA的改性，實現了多纖維聚丙烯腈-丙烯酸甲酯共纖維的力學性能的提高，所得到的纖維比強度為0.76-1.27 GPa g-1 cm-1，韌性為118至166 J g-1，在纖維的比強度（拉伸強度除以密度）與韌性之間的平衡方面邁出了一大步。
作者認為，這種改進主要得益于紡絲過程中原纖維之間的點擊化學交聯反應，以及在張力作用下進行的退火，這種退火將纖維結晶度從56.9％提高到92.4％，這樣生產得到的PAN纖維具有接近蜘蛛絲的性能。如何將這些電紡多原絲紗線碳化，并測量所得的碳纖維性能是后面面臨的新的挑戰，總之，結合許多上述策略，我們終將開發出具有前所未有性能的新一代高性能碳纖維。
【1】Xiaojian Liao et al. High strength incombination with high toughness in robust and sustainable polymeric materials.Science 2019, 366, 1376-1379.https://science.sciencemag.org/content/366/6471/1376【2】Bronwyn Fox. Making stronger carbon-fiberprecursors. Science 2019, 366, 1314-1315.https://science.sciencemag.org/content/366/6471/1314
