[发明专利]石墨烯-碳复合纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了石墨烯‑碳复合纤维及其制备方法，其中，所述方法是以氰基功能化氧化石墨烯和丙烯腈为原料，经过超声辅助原位聚合、纺丝、预氧化和碳化制得石墨烯‑碳复合纤维。采用该方法所得石墨烯‑碳复合纤维具有优异力学性能，并且与现有聚丙烯腈基碳纤维制备方法相比，采用本申请方法所得石墨烯‑碳复合纤维拉伸强度提高了7％～86％，拉伸模量提高了6.8％～47％，同时该制备方法具有工艺简单，容易工业化生产等特点。

技术领域

本发明属于碳材料制备领域，具体而言，本发明涉及石墨烯-碳复合纤维及其制备方法。

背景技术

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电导热性好等特点，是先进复合材料的重要的增强体，广泛应用于航天航空、交通运输、建筑能源和体育休闲等领域。随着现代先进复合材料技术的发展，对碳基纤维增强体的力学性能提出了更高的要求。

石墨烯作为一种新发展起来的碳材料，具有优异的力学性能(强度达125GPa，模量达1.0TPa)，是一种理想的增强体材料，成为各国科研人员关注的热点。利用石墨烯对碳纤维进行增强，研究人员进行了很多尝试，以期进一步提高碳纤维的力学性能。中国专利CN103015157A公开了电雾化沉积植入碳纤维表面的缺陷结构从而提高碳纤维的强度方法。中国专利102586952A公开了一种石墨烯或氧化石墨烯通过共混方法加入到聚丙烯腈溶液中，并进一步通过纺丝、预氧化和碳化，从而提高碳纤维综合性能的方法。中国专利CN102704027A将氧化石墨烯分散在溶剂中并与丙烯腈原位聚合制备PAN碳纤维原丝的方法，但未涉及最终碳纤维的制备。中国专利CN106676678A公开了一种包含磺酸基团的石墨烯改性复合碳纤维的制备方法，利用搅拌将石墨烯混入聚丙烯腈或者沥青等碳纤维前驱体中，经过纺丝、预氧化和碳化，制备得到的复合碳纤维具有高强高模高电导率等性能，但该专利中碳化时间长达30～90min，工业化生产存在较大困难。由于上述研究并没有同时解决石墨烯在纤维中的分散和与纤维中碳网结构的化学键接问题，因此石墨烯对碳纤维的增强效果并不明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯-碳复合纤维及其制备方法，采用该方法所得石墨烯-碳复合纤维具有优异力学性能，并且与现有聚丙烯腈基碳纤维制备方法相比，采用本申请方法所得石墨烯-碳复合纤维拉伸强度提高了7％～86％，拉伸模量提高了6.8％～47％，同时该制备方法具有工艺简单，容易工业化生产等特点。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备石墨烯-碳复合纤维的方法。根据本发明的实施例，所述方法是以氰基功能化氧化石墨烯和丙烯腈为原料，经过超声辅助原位聚合、纺丝、预氧化和碳化制得石墨烯-碳复合纤维。

优选的，所述方法按照下列步骤进行：(1)将所述氰基功能化氧化石墨烯、所述丙烯腈单体、溶剂及聚合引发剂混合进行超声辅助原位聚合，以便得到复合纺丝溶液；(2)将所述复合纺丝溶液经过脱单、脱泡后，经纺丝工艺制成复合原丝；(3)将所述复合原丝进行预氧化处理，然后在保护性气氛中进行碳化处理，制得石墨烯-碳复合纤维。由此，可以显著提高石墨烯-碳复合纤维的力学性能。

优选的，在步骤(1)中，在步骤(1)中，所述氰基功能化氧化石墨烯为氰基改性氧化石墨烯。由此，可以保证所得石墨烯-碳复合纤维具有优异的力学性能。

优选的，所述氰基改性氧化石墨烯中氰基官能团数与氧化石墨烯碳原子数比为1～10：100。由此，可以进一步保证所得石墨烯-碳复合纤维具有优异的力学性能。

优选的，所述氰基改性氧化石墨烯片径的平均值不低于10μm，平均层数不高于10层。由此，可以进一步保证所得石墨烯-碳复合纤维具有优异的力学性能。

优选的，在步骤(1)中，所述聚合引发剂为自由基引发剂，所述溶剂为选自二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和环丁酚中的至少之一。

优选的，所述自由基引发剂为选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化二苯甲酰和叔丁基过氧化氢中的至少之一。