[发明专利]利用废纸或纤维织物转化为石墨烯-碳纤维复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于非金属碳纳米复合材料领域，尤其是涉及一种利用废纸或纤维织物转化为石墨烯-碳纤维复合材料的方法。

背景技术

当今世界，废纸回收利用在减少污染、改善环境、节约资源与能源方面产生了巨大的经济效益与环境效益，是实现造纸工业可持续发展以及社会可持续发展的一个重要的方面，因此有人称之为“城市的森林”工业。我国是世界废纸最大进口国和消费大国，而国内废纸回收率却明显低于世界平均水平，而现阶段世界上发达国家对废纸的回收利用，不论在规模上还是技术上都已经具有相当高的水平，废纸的回收利用已逐步成为现代造纸工业的一大发展趋势。

目前，国内的废纸回收手段主要还是通过高温燃烧处理，这势必会消耗大量的热能，产生的废气同样还会污染大气环境。为此，寻求一种有效的废纸处理手段既能够达到废物利用的目的，同时又能有节能减排，保护环境的效果。众所周知，纸张是由三维交织的微米级聚合物纤维网组成，这些聚合物纤维的表面同时含有丰富的纳米级链状多糖，这些聚合物纤维可以通过惰性气体保护下煅烧得到宏观的碳纤维纸。碳纤维纸则可以直接或者改性应用于不同的领域。

在诸多碳材料中，二维石墨烯作为一种新型的碳纳米材料以其优异的电学、热学、光学和力学性能在不同领域中表现出了潜在的应用价值。特别是具有高电导率、高导热性、超大的比表面积、独特的电荷载流子迁移率和高的透光率等特性的石墨烯基复合材料在绿色能源领域中表现出非常好的应用前景。那么如何将石墨烯和碳纤维纸二者完美的结合，而发挥其最大的应用优势，成为当前碳材料研究者们的一大难题。

中国专利CN103949237A公开了一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，以纤维素和尿素、氰胺或者氰酸为原料，将纤维素和尿素、氰胺或者氰酸按质量比100∶1～1∶1000混合，然后置于氮气的保护下煅烧，控制煅烧温度范围为700℃～120℃，最后自然冷却降温即可得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料，但是该专利以纤维素为原料，得到的碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料难以加工应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种加工方便、应用范围广泛、节约成本且实现废物利用的利用废纸或纤维织物转化为石墨烯-碳纤维复合材料的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

利用废纸或纤维织物转化为石墨烯-碳纤维复合材料的方法，采用以下步骤：将废弃的纸或者纤维织物和尿素、氰胺或者氰酸按质量比10∶1～1∶100混合置于氮气保护的马弗炉中，控制煅烧温度800～1500℃处理1～48小时，最后自然冷却得到石墨烯修饰的碳纤维复合材料。

所述的废弃的纸为报纸、A4打印纸、餐巾纸、滤纸、牛皮纸、挂历纸或宣纸。

所述的纤维织物为无纺布、棉线布、毛线布或麻线布。

所述的氰胺为单氰胺、双氰胺或三聚氰胺，所述的氰酸为三聚氰酸。

作为优选的实施方式，废弃的纸或者纤维织物和尿素、氰胺或者氰酸的质量比为1∶40。

作为优选的实施方式，马弗炉中的煅烧温度为1000℃，煅烧处理时间为12小时。

制备得到的复合材料中，石墨烯厚度为0.3７-15nm，碳纤维粗细为0.01-100μm。

与现有技术相比，本发明以未经处理的废弃的纸或者纤维织物和尿素、氰胺或者氰酸为原料，由于废纸和纤维织物是由微米级别的聚合物纤维网交织而成，而微米纤维的表面又含有丰富的聚合物纳米纤维，这种特殊的多级结构易于原位石墨化形成氮掺杂的石墨烯修饰碳纤维表面的复合材料，与直接利用纤维素为原料制备得到的产品其碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料难以加工相比，本申请以未经处理的废纸或纤维织物为原料，通过一步煅烧过程直接得到石墨烯-碳纤维复合碳纸材料。碳纸通常具有大的比表面积，有很强的吸附分解、调湿、净化、除臭、远红外线及负离子效能，适用于公共与民用建筑中装填地面和墙壁，碳对水分有吸放调节功能，还能抑制温度上升和霉菌、微生物的繁衍，起到防霉、调节温度的独特作用。此外，碳纸在燃料电池电极中起支撑催化剂层和稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道等多种功能。因此廉价而有效的碳纸材料具有相当可观的市场应用前景。

附图说明

图1为石墨烯-碳纤维复合材料的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1