[發(fā)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?zhí)枺?/td>: 201110450967.6
• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN102534870A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）人: 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)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(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 陳英俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于碳纖維材料制備技術(shù)領(lǐng)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(shù)

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(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本較低和力學(xué)性能優(yōu)良的特點，已成為發(fā)展最快、產(chǎn)量最高、品種最多以及應(yīng)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(xué)腐蝕性和優(yōu)良的電學(xué)物理機械性能于一體，其優(yōu)良的性能和獨特的功能，在宇宙飛船、人造衛(wèi)星、航天飛機、導(dǎo)彈、航空以及汽車、機械制造、電子、醫(yī)療器械、體育等領(lǐng)域開辟了廣泛的應(yīng)用前景。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全球?qū)哂刑厥夤δ艿男滦屠w維的需求不斷增加，尤其是具有高強度、高導(dǎo)電性的纖維逐漸被探索應(yīng)用于增強材料、功能服飾、電磁場、軍事等領(lǐng)域。改性纖維材料已經(jīng)成為復(fù)合材料研究領(lǐng)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(dāng)，另外，石墨烯質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好、比表面積大，具有極好的電子傳輸性質(zhì)。石墨烯的一系列優(yōu)點，使其在石墨烯納米聚合物復(fù)合材料、電子運輸器件、單電子晶體管、超導(dǎo)材料等方面具有光明的應(yīng)用前景。使用石墨烯與基體聚合物復(fù)合制備纖維復(fù)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(xué)等。

申請?zhí)枮镃N200910067708.8的中國專利申請公開了一種石墨烯與碳纖維復(fù)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?zhí)枮镃N201010195935.1的中國專利申請公開了一種制備聚合物/石墨烯復(fù)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(zhì)中利用磨球?qū)κ圻M(jìn)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(fā)聚合物單體聚合的辦法或?qū)酆衔镱A(yù)聚體中進(jìn)行固化的辦法最終得到聚合物/石墨烯復(fù)合材料；申請?zhí)枮镃N201010191018.6的中國專利申請公開了一種聚合物/石墨烯復(fù)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(jìn)行原位還原，使氧化石墨還原為石墨烯，從而得到穩(wěn)定的聚合物/石墨烯復(fù)合乳液，再經(jīng)過破乳、凝聚、干燥，得到聚合物/石墨烯復(fù)合母料；將干燥后的聚合物/石墨烯復(fù)合母料與各種助劑按一定比例加入到聚合物基體中，進(jìn)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(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)目的是基于上述現(xiàn)有技術(shù)，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(xiàn)，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(xiàn)有的聚丙烯腈基碳纖維相比，其力學(xué)性能和導(dǎo)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(yīng)用前景。

本發(fā)明實現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)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(jìn)行脫泡，得到石墨烯改性的聚丙烯腈溶液；

按照質(zhì)量百分比計，所述的石墨烯占聚丙烯腈的質(zhì)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(zhì)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(jīng)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(jìn)行預(yù)氧化，然后在保護(hù)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(shù)方案中：