[發明專利]一種聚丙烯腈/石墨烯復合物基碳纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201110450984.X
• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN102560746A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 陳友汜;歐陽琴;陳宜波;楊建行;莫高明;黃顯雯;馬洪波
• 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;D01F11/06;C08F220/44
• 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

本發明屬復合材料的制備領域，特別是涉及一種基于聚丙烯腈/石墨烯復合物的碳纖維制備方法。

背景技術

聚丙烯腈纖維是以丙烯腈為主要結構單元的聚合物經紡絲加工而得，以聚丙烯腈原絲為前驅體制得的碳纖維具有許多優異的性能，如高強度、高模量、低比重、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞以及優良的導電導熱性等。因此，以聚丙烯腈基碳纖維制備的復合材料由于性能優異和功能獨特，被廣泛應用于航空航天、橋梁和抗震補強、海底石油輸送管、風力發電翼片及汽車部件等領域。

石墨烯具有二維平面納米結構，具有極高的比表面積，是繼碳納米管之后的又一種新型納米碳材料，其厚度根據制備方法的不同可控。單層的石墨烯是由一層密集的、包裹在蜂巢狀晶體點陣上的碳原子組成。這種特殊的結構使石墨烯表現出許多優異性質：(1)強度是已知材料中最高的，可達130GPa，是鋼的100多倍；(2)載流子遷移率是已知材料中最高的，是銻化銦材料的兩倍，是商用硅片的十余倍，一般條件下可達15000cm²·V^-1·s^-1，在特定條件下(如低溫驟冷等)，甚至可達250000cm²·V^-1·s^-1；(3)熱導率高，可達5000W·m^-1·K^-1；(4)優良的抗靜電、阻燃隔熱性能。由于原材料石墨的價格低廉，同時由于石墨烯的制備和改性方法簡單，易于大規模制備，在溶液中具有很好的可加工性等因素，使得石墨烯有望作為一種高效的納米填料與聚合物基體復合，制備得到聚合物納米復合物，并顯著提高或改善聚合物基體材料的力學性能、傳導特性等。

Julia?J?Mark等人以石墨片為增強材料，采用靜電紡絲的方法，制備了聚丙烯腈/石墨片納米復合纖維，將楊氏模量提高了將近一倍。Ramanathan等人利用聚丙烯腈強極性鏈段與功能化石墨烯之間較強的相互作用了，制備了聚丙烯腈/功能化石墨烯納米復合物，其玻璃化轉變溫度較聚丙烯腈提高40℃。公開號為US2010/0317790A1的美國專利申請公開了一種將石墨烯與聚合物溶液共混作為紡絲原液，再利用靜電紡絲制備聚丙烯腈/石墨烯等納米復合纖維的方法。該方法可能造成納米石墨烯片層的團聚，從而影響納米復合物的組成均勻性，進而劣化復合物纖維的各項特性；公告號為US7623340B1的美國專利公開了一種溶液共混的方法以制備導電聚合物/石墨烯復合物，用作高性能超級電容器材料。該方法涉及利用碳化的聚丙烯腈作為涂層用的基底材料，但并未涉及復合纖維及碳纖維的制備；申請號為CN200910067708.8的中國專利申請公開了一種在碳纖維表面涂覆一層厚度為1nm～5μm的石墨烯涂層，以制備碳纖維/石墨烯復合材料的制備方法，利用石墨烯和碳纖維結構相近而具有相容性的特點改善碳纖維的性能；公開號為US2011/0223405A1的美國專利申請公開一種制備石墨烯/聚合物復合膜或涂層的方法，主要應用于材料的抗氣體滲透及減小透光率領域。

截止目前，還沒有采用原位聚合的方法制備含石墨烯聚丙烯腈溶液的報道，也沒有利用該石墨烯聚丙烯腈溶液進行紡絲，進而通過預氧化、碳化處理，制得高性能碳纖維的報道。

發明內容

本發明的技術目的是基于上述現有技術，提供一種聚丙烯腈/石墨烯復合物基碳纖維的制備方法，與現有的聚丙烯腈基碳纖維相比，利用該方法制備得到的碳纖維的力學性能顯著提高，同時提高了制備過程中的碳化得率，是一種高效、可靠，具有良好應用前景的制備方法。

本發明實現上述技術目的所采用的技術方案為：一種聚丙烯腈/石墨烯復合物基碳纖維的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：將石墨烯、單體與引發劑均勻分散在溶劑中形成混合溶液，然后將該混合溶液在30～68℃溫度、氮氣保護條件下反應5～24h，得到中間溶液；

其中，所述的單體由丙烯腈單體與添加單體組成；按照質量百分比計，丙烯腈單體質量占單體總質量的85～100％，添加單體質量占單體總質量的0～15％，石墨烯質量占單體總質量的0.01～10％，引發劑質量占單體總質量的0.2～2％；

所述的溶劑包括但不限于二甲基亞砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、一定質量百分比的氯化鋅水溶液或一定質量百分比的硫氰酸鈉水溶液中的一種；