[发明专利]一种聚丙烯腈包覆石墨烯复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种聚丙烯腈包覆石墨烯复合材料及其制备方法与应用，复合材料，其基本单元为核壳结构，内核为碳材料，外壳为聚丙烯腈层，聚丙烯腈层为单层或多层；所述碳材料为具有石墨晶格结构的碳材料。聚丙烯腈包覆氧化石墨烯复合材料，在实现将石墨烯均匀引入纺丝体系的同时，实现了聚合物对石墨烯的紧密包覆，聚丙烯腈隔绝了石墨烯之间的相互作用，减少其积聚的倾向，极大缩短二者均匀混合所需的时间，提高了生产效率。而且，引入的石墨烯可以在预氧化及碳化过程中起到成核剂和模板剂的作用，获得碳纤维更完善的石墨晶格结构，使碳纤维的各项性能得到提升。

技术领域

本发明属于高性能碳纤维制备技术领域，具体涉及一种聚丙烯腈包覆石墨烯复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

碳纤维自面世以来，因其优异的性能，在各领域大放异彩。然而，因为聚合体系、制备工艺等种种因素的限制，碳纤维始终与其理论上的高性能相去甚远，其主要原因在于目前碳纤维石墨化程度较低，石墨晶格结构的取向性较差，研究人员对如何有效提高碳纤维的性能进行了大量研究，目前一种改进的思路是在碳纤维中直接引进有着石墨晶格结构的石墨烯，在预氧化及碳化过程中，石墨烯可以作为结晶过程的成核剂和模板剂，在目前的研究中引入石墨烯的方法主要是将聚丙烯腈与石墨烯直接混合，这在一定程度上可以实现二者的均匀很合，但是高分子的缠结导致石墨烯很难均匀分散到聚合物中间，混合过程耗时太久，严重制约了生产效率的提高，而且石墨烯在分散过程中容易由于π-π相互作用而产生积聚，进而演变为纤维中的缺陷，不能发挥石墨烯的作用。除此之外，有通过丙烯腈与石墨烯原位本体聚合而引入石墨烯的方法，但是目前研究中所提供的方法同样耗费较多时间。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种聚丙烯腈包覆石墨烯复合材料及其制备方法与应用。所制备的复合材料可以作为生产碳纤维的前驱体，提高纤维的石墨化程度，适用于高性能碳纤维的制备。

为了解决以上技术问题，本发明的一个或多个实施例提供了以下技术方案：

一种聚丙烯腈包覆石墨烯复合材料，其基本单元为核壳结构，内核为碳材料，外壳为聚丙烯腈层，聚丙烯腈层为单层；所述碳材料为具有石墨晶格结构的碳材料。

聚丙烯腈包覆氧化石墨烯复合材料，在实现将石墨烯均匀引入纺丝体系的同时，实现了聚合物对石墨烯的紧密包覆，聚丙烯腈隔绝了石墨烯之间的相互作用，减少其积聚的倾向，极大缩短二者均匀混合所需的时间，提高了生产效率。而且，引入的石墨烯可以在预氧化及碳化过程中起到成核剂和模板剂的作用，获得碳纤维更完善的石墨晶格结构，使碳纤维的各项性能得到提升。

所述聚丙烯腈包覆石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将丙烯腈、具有石墨晶格结构的碳材料和分子量调节剂在水中混合均匀；

调节混合体系的温度为50-70℃，滴加引发剂引发聚合反应，引发剂的滴加时间为30-60min；

引发剂滴加完后，保温设定时间，至反应结束，即得聚丙烯腈包覆石墨烯复合材料。

向体系中加入分子量调节剂，可以有效调节聚丙烯腈的聚合度，以提高聚合物外壳对具有石墨晶格结构的碳材料的包覆效果，进而有效隔绝碳材料之间的相互作用，实现高浓度碳材料的添加。以控制分子量不要过高，提高溶解效率。

向混合体系中滴加引发剂，引发剂的滴加速度较慢，以实现聚丙烯腈的缓慢聚合，进而实现对碳材料的均匀包覆，以控制聚合体系中引发剂自由基浓度的稳定，从而使聚合过程平稳进行，最终得到较为均一的聚合物。制备的聚丙烯腈包覆石墨烯复合材料的外观为浅灰色粉末材料，颗粒均匀，分子量在50000至500000之间。