[發明專利]一種聚丙烯腈/石墨烯復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310260988.0
• 申請日: 2013-06-27
• 公開（公告）號: CN103408880A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 盧紅斌;董雷
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C08L33/20
• 分類號: C08L33/20;C08K3/04
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明屬于復合材料制備技術領域，具體為一種聚丙烯腈/石墨烯復合物的制備方法，該方法制備得到的聚丙烯腈/石墨烯復合物由聚丙烯腈以共價鍵或物理吸附中的一種或兩種方式與石墨烯片層結合，并且該復合物溶液可以長期穩定存在。

背景技術

石墨烯是一種重要的碳基材料，它是由碳原子以sp²雜化連接而成的單層二維結構，也是目前人類所發現的最薄的二維材料。由于石墨烯本身具有穩定的共軛電子體系，因而可以表現出許多優良的物理特性。例如：石墨烯的強度是鋼的100多倍，達130?GPa，是目前得到的強度最大的材料；石墨烯具有已知最高的載流子遷移率，為1.5×10^4?cm²V^-1S^-1；石墨烯的熱導率為5×10^3?Wm^-1K^-1，是金剛石的3倍。此外，石墨烯也具有其它一些特殊性質，如室溫的鐵磁性和室溫量子霍爾效應等。正因這些突出的性質，石墨烯為發展新穎的、高性能聚合物復合材料提供了可能的途徑。

?聚丙烯腈是由丙烯腈單體聚合而成的一種極性聚合物，工業上常用其紡絲形成腈綸纖維。此外，通過改變制備方法和條件，由聚丙烯腈制成的碳纖維材料也具有許多優良的特性，如高模量、低比重、高強度、高熱導率、高電導率、耐腐蝕等。它們被作為一種極具應用前景的材料廣泛應用于航空航天、汽車、體育產品、海底石油輸送等領域。

然而，單純的碳纖維由于自身一維的結構以及其它固有的性質，使其在抗剪切、楊氏模量等特性上表現出一定的不足之處。而同屬碳材料的二維石墨烯則可與聚丙烯腈進行復合以達到最終改善聚丙烯腈及碳纖維性能的目的。

公開號為US20100317790A1的美國專利公開了一種利用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）做為溶劑制備聚丙烯腈/石墨烯復合材料并用來進一步制備碳纖維。它采用十層以內的石墨烯片層為增強材料，通過靜電紡絲的方法制備出了一種改性碳纖維材料。申請號為201110450984.X的中國專利申請公開了一種利用原位聚合制備聚丙烯腈/石墨烯復合物的方法并將其用于制備碳纖維，石墨烯的初始質量占總單體質量的0.01～10%，然而原位聚合中丙烯腈單體的使用，對操作工序和安全環保都造成一定的限制。申請號為201210014824.5的中國專利申請公開了一種利用原位聚合制備聚丙烯腈/石墨烯復合物，后紡絲、碳化形成碳纖維的方法。申請號為201210014844.2的中國專利申請公開了一種石墨烯包覆聚丙烯腈纖維復合材料的制備方法，其中，氧化石墨與聚丙烯腈復合后再還原，得到的聚丙烯腈表面均勻包覆有一層石墨烯。申請號為201110450967.6的中國專利報道了一種利用共混的方法將石墨烯懸浮液與聚丙烯腈溶液復合，并經過紡絲制備碳纖維的方法，報道中并未提及復合物溶液的穩定性。本申請提出一種可大規模工業化制備聚丙烯腈/石墨烯復合材料的新穎方法，可實現聚丙烯腈對石墨烯表面的共價修飾，同時制備的聚丙烯腈/石墨烯懸浮液具有極佳的穩定性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種聚丙烯腈/石墨烯復合物的制備方法。與現有的涉及聚丙烯腈/石墨烯復合物制備的方法相比，本方法操作過程簡單、避免使用毒性較大的丙烯腈單體、復合物結構穩定、石墨烯的含量范圍較廣，是一種高效、可大規模工業化生產的新方法。

本發明所提出的聚丙烯腈/石墨烯復合物的制備方法，其具體制備步驟如下：

（1）將1重量份的石墨烯或氧化石墨烯加入到5～1000重量份的溶劑中，將該混合溶液攪拌1～20h后形成石墨烯懸浮液。

其中，所述的石墨烯或氧化石墨烯由天然石墨分別通過化學氧化剝離法或直接剝離或化學氧化剝離后還原的方法制得。

所述的溶劑為質量分數為30%~60%的硫氰酸鈉水溶液、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、水、乙醇、異丙醇、二甲基亞砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)或質量分數為30%~60%的氯化鋅水溶液中的一種或幾種。

（2）將0.1~100重量份的聚丙烯腈與溶劑混合，采用一定輔助溶解的方法后形成質量濃度為1%~11%的聚丙烯腈溶液。

其中，所述的聚丙烯腈的相對分子量為10,000～1,000,000。