[发明专利]石墨烯碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了石墨烯碳纤维及其制备方法，方法包括：(1)将含有氧化石墨烯的二甲基甲酰胺分散液或二甲基亚砜分散液与聚丙烯腈粉末和桥连剂混合，隔绝空气室温放置溶胀，然后搅拌状态加热溶解，配制聚丙烯腈‑氧化石墨烯纺丝液；(2)将聚丙烯腈‑氧化石墨烯纺丝溶液计量挤出喷丝板，在含有乙醇、水、二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的至少一种溶液中成纤，进行牵伸、水洗、上油、干燥和卷绕，得到聚丙烯腈‑氧化石墨烯原丝；(3)将聚丙烯腈‑氧化石墨烯原丝进行预氧化和碳化处理，得到石墨烯碳纤维。采用该方法可以将难于成纤维的高分散性氧化石墨烯溶液制得石墨烯纤维，该石墨烯碳纤维中石墨烯含量不低于75％，导热率可达1520Wm^‑1K^‑1。

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，具体而言，本发明涉及石墨烯碳纤维及其制备方法。

背景技术

具有完美结构的二维纳米材料石墨烯，表现出优异的力学、电学、光学和热学等性能，在复合材料、储能、导热等领域具有广阔应用前景。石墨烯及其衍生物以其独特的结构和优异的物理化学性质，近年来引起了科学界和工程界的极大兴趣，科学家和工程师们制备了多种维度的石墨烯材料。2011年高超等人利用液晶的预排列取向，基于液晶纺丝原理首次制得了连续的一维石墨烯纤维，之后掀起了制备石墨烯纤维热潮。石墨烯纤维的热导率为1435W/m·K，远高于碳纳米管纤维(380W/m·K)和石墨烯纸(约112W/m·K)，展示了在导热领域的潜在应用价值，但与单层石墨烯的热导率5300W/m·K相比，现阶段组装的宏观纤维材料尚不能完全发挥石墨烯的优异性能。

有研究表明，石墨烯材料之间相互有效接触，形成高导热网络，且通过较大的表面积降低界面热阻，热量在彼此有效接触的石墨烯材料间快速传递，可有效提高材料的导热性能。因而需要增加石墨烯在材料内的相对含量，使其形成连续相，达到材料相互有效接触。

通常将纯石墨烯制备成氧化石墨烯(GO)使其在溶剂中有效的分散，再采用溶液加工的方法制备石墨烯材料。氧化石墨烯在极性溶剂中良好的分散性为其后续功能化和液相加工奠定了基础。在极性溶剂中分散量越大，越易通过溶液加工方式使石墨烯在材料中良好分散且彼此接触形成不间断高导热网络而导热，但由于在极性溶剂中高分散性(氧化石墨烯在溶剂中质量浓度大于等于10％)，研究发现石墨烯片层难于敛集组装成纤维材料。

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纤维及其制备方法，采用该方法可以将难于成纤维的高分散性氧化石墨烯溶液制得石墨烯纤维，并且该石墨烯碳纤维中石墨烯含量不低于75％，导热率可达1520Wm^-1K^-1。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备石墨烯碳纤维的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)将含有氧化石墨烯的二甲基甲酰胺分散液或二甲基亚砜分散液与聚丙烯腈粉末和桥连剂混合，充分搅拌，隔绝空气室温放置溶胀，然后搅拌状态加热溶解，配制聚丙烯腈-氧化石墨烯纺丝液；(2)将所述聚丙烯腈-氧化石墨烯纺丝溶液计量挤出喷丝板，在含有乙醇、水和二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的至少一种溶液中成纤，再进行牵伸、水洗、上油、干燥和卷绕，得到聚丙烯腈-氧化石墨烯原丝；(3)将所述聚丙烯腈-氧化石墨烯原丝依次进行预氧化和碳化处理，得到石墨烯碳纤维。

优选的，所述桥连剂为异氰酸酯。

优选的，所述异氰酸酯为单异氰酸酯和/或二异氰酸酯。

优选的，所述异氰酸酯优选为二异氰酸酯。

优选的，所述二异氰酸酯优选为甲苯二异氰酸酯。

优选的，所述甲苯二异氰酸酯占所述氧化石墨烯质量的0.1～10％，优选为0.5～3％，所述聚丙烯腈占所述氧化石墨烯质量的20～80％，优选为25～55％。

优选的，所述聚丙烯腈-氧化石墨烯纺丝液中的氧化石墨烯为高分散性氧化石墨烯的分散溶液，其质量浓度不低于10％。