[發明專利]一種石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201110450967.6
• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN102534870A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 莫高明;陳宜波;陳友汜;歐陽琴;黃顯雯;馬洪波;楊建行
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F1/09;D01F6/54;D01D1/02;D01D1/10;D01D5/06
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 陳英俊

技術領域

本發明屬于碳纖維材料制備技術領域，具體涉及一種石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纖維的制備方法。

背景技術

碳纖維是含碳量高于90％的無機高分子纖維。按照所采用的原料不同，碳纖維可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛樹脂基碳纖維、聚酰亞胺基碳纖維以及其他有機纖維基碳纖維等。其中PAN基碳纖維因其生產工藝簡單、生產成本較低和力學性能優良的特點，已成為發展最快、產量最高、品種最多以及應用最廣的一種碳纖維。聚丙烯腈基碳纖維集高機械強度、高模量、低比重、耐高溫、耐化學腐蝕性和優良的電學物理機械性能于一體，其優良的性能和獨特的功能，在宇宙飛船、人造衛星、航天飛機、導彈、航空以及汽車、機械制造、電子、醫療器械、體育等領域開辟了廣泛的應用前景。

隨著社會經濟的不斷發展，全球對具有特殊功能的新型纖維的需求不斷增加，尤其是具有高強度、高導電性的纖維逐漸被探索應用于增強材料、功能服飾、電磁場、軍事等領域。改性纖維材料已經成為復合材料研究領域的熱點之一。石墨烯(Graphene)是一種新型無機材料，由廉價的石墨制成，其極限模量為1.01TPa，極限強度為116GPa，與單壁碳納米管(SWCNT)相當，另外，石墨烯質量輕、導熱性好、比表面積大，具有極好的電子傳輸性質。石墨烯的一系列優點，使其在石墨烯納米聚合物復合材料、電子運輸器件、單電子晶體管、超導材料等方面具有光明的應用前景。使用石墨烯與基體聚合物復合制備纖維復合材料，能夠明顯改善纖維材料的性能，如提高物理機械性能、改善電學等。

申請號為CN200910067708.8的中國專利申請公開了一種石墨烯與碳纖維復合材料的制備方法，它是以石墨烯和碳纖維材料為原料，通過涂覆的方法在碳纖維材料表面涂覆石墨烯涂層制備而成；申請號為CN201010195935.1的中國專利申請公開了一種制備聚合物/石墨烯復合材料的方法，它是首先將石墨粉均勻分散在聚合物液體介質中利用磨球對石墨粉進行研磨剝離得到聚合物/石墨烯懸浮液，然后通過向聚合物/石墨烯懸浮液中加入沉淀劑將聚合物連同石墨烯從溶液中沉淀出的辦法或直接引發聚合物單體聚合的辦法或對聚合物預聚體中進行固化的辦法最終得到聚合物/石墨烯復合材料；申請號為CN201010191018.6的中國專利申請公開了一種聚合物/石墨烯復合材料的原位還原制備方法，其特點是采用超聲波或者研磨方式將Hummers法制備的氧化石墨均勻分散在聚合物膠乳中，然后在膠乳中通入還原劑進行原位還原，使氧化石墨還原為石墨烯，從而得到穩定的聚合物/石墨烯復合乳液，再經過破乳、凝聚、干燥，得到聚合物/石墨烯復合母料；將干燥后的聚合物/石墨烯復合母料與各種助劑按一定比例加入到聚合物基體中，進一步通過雙輥混合、硫化、熔融擠出或注塑，獲得具有良好性能的聚合物/石墨烯復合材料。

發明內容

本發明的技術目的是基于上述現有技術，提供一種石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纖維的制備方法，該方法簡單易于實現，利用該方法制備得到的石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纖維與現有的聚丙烯腈基碳纖維相比，其力學性能和導電性顯著提高，是一種低成本、高效率的制備方法，具有良好的應用前景。

本發明實現上述技術目的所采用的技術方案為：一種石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纖維的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、石墨烯改性的聚丙烯腈溶液的制備：

量取兩份適量的同一溶劑，其中一份溶劑中加入石墨烯粉末，超聲分散均勻后得到石墨烯懸浮液；另一份溶劑中加入適量聚丙烯腈粉末，溶脹1～48小時后緩慢加熱至40～75℃，然后攪拌均勻，得到聚丙烯腈溶液；

將石墨烯懸浮液少量多次地加入到聚丙烯腈溶液中，在20～75℃條件下攪拌1～24小時后進行脫泡，得到石墨烯改性的聚丙烯腈溶液；

按照質量百分比計，所述的石墨烯占聚丙烯腈的質量百分比為0.01％～10％，所述的聚丙烯腈占石墨烯改性的聚丙烯腈溶液的質量百分比為15％～30％；

步驟2、石墨烯改性的聚丙烯腈纖維的制備：

以步驟1得到的石墨烯改性的聚丙烯腈溶液作為紡絲原液，經濕法或干噴濕紡紡絲工藝，制備得到石墨烯改性的聚丙烯腈原絲；

步驟3、石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纖維的制備：

將步驟2得到的石墨烯改性的聚丙烯腈原絲在165～285℃下進行預氧化，然后在保護氣氛條件下，300～900℃低溫碳化，900～1800℃高溫碳化，制得石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纖維。

上述技術方案中：