[发明专利]掺杂石墨的聚丙烯腈基纳米复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于新材料技术领域，涉及掺杂石墨的聚丙烯腈基纳米复合材料及其制备方法与应用。制备方法为：将丙烯腈单体、碳质材料添加剂、引发剂及分子量调节剂混合后加热引发聚合，即得；所述碳质材料添加剂为石墨，加热聚合过程中进行机械搅拌及超声处理，所述石墨为鳞片石墨或鳞片石墨的衍生物。本发明以石墨作为碳质材料添加剂，实现碳纤维石墨结构的优化及力学性能的提高，能够降低成本，易于工业化的推广。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及掺杂石墨的聚丙烯腈基纳米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。

据发明人研究了解，为了优化碳纤维的结构，通常需要添加碳质材料添加剂，这些添加剂本身有着较为优异的机械性能，可以作为刚性的填料阻碍纤维中裂缝的扩展，且其与纤维基质之间的相互作用有利于基质与填料之间的应力传递，对纤维的强度有增强作用。此外，碳质材料有较为完善的石墨晶格结构，可以在碳纤维制备过程中起到成核剂的作用，诱导纤维内部石墨化晶格结构的形成和完善，不断向上述碳纤维的理想结构靠近。然而，发明人发现，现有碳质材料添加剂一般为石墨烯、碳纳米管等，这些碳质材料添加剂生产工艺复杂、价格过高，难以进行工业化的推广。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明在前期研究过程中，采用石墨代替石墨烯、碳纳米管等作为碳质材料添加剂，优化碳纤维的结构，以降低成本，实现工业化的推广。

然而，在前期研究中本发明发现，若仅将石墨代替石墨烯、碳纳米管等作为碳质材料添加剂直接引入纺丝体系制备碳纤维或碳纳米纤维，产物的力学性能不仅不会升高，还会下降，这是因为相较之下石墨的尺寸更大，极易在纺丝过程产生团聚，而这种大尺寸添加剂的团聚会降低石墨在纤维基质中的分散性，削弱石墨添加剂与纤维基质之间的相互作用，且容易发展成为最终碳纤维或碳纳米纤维中孔洞、裂纹等缺陷结构，极大地损害纤维的力学性能。

为了解决这种问题，本发明的目的是提供掺杂石墨的聚丙烯腈基纳米复合材料及其制备方法与应用，在聚合物制备阶段便将石墨添加剂掺入聚丙烯腈分子间实现均匀分散，将得到的聚丙烯腈/石墨纳米复合材料作为前驱体进行纺丝，以尽可能避免石墨在纤维内的团聚现象。

一方面，一种掺杂石墨的聚丙烯腈基纳米复合材料的制备方法，将丙烯腈单体、碳质材料添加剂、引发剂及分子量调节剂混合后加热以引发自由基聚合，即得；所述碳质材料添加剂为石墨，聚合过程中进行机械搅拌及超声处理，所述石墨为鳞片石墨或鳞片石墨的衍生物。

本发明在自由基聚合过程中进行机械搅拌及超声处理，通过机械搅拌及超声处理的协同作用，实现石墨在丙烯腈单体间的均匀分散，避免石墨颗粒产生团聚现象，从而在聚合完成后直接实现石墨在聚丙烯腈基质中良好的分散。

另一方面，一种掺杂石墨的聚丙烯腈基纳米复合材料，由上述制备方法获得。

第三方面，一种上述掺杂石墨的聚丙烯腈基纳米复合材料在制备碳纤维或碳纳米纤维中的应用，通过将上述纳米复合材料溶解后进行凝胶纺丝或静电纺丝，可直接制备均匀分散有石墨的碳纤维或碳纳米纤维。

本发明的有益效果为：

1.鉴于石墨的尺寸更大，比表面积更小，轻微的团聚便会在最终的碳纤维或碳纳米纤维中发展成为缺陷结构，为了实现石墨添加剂的均匀分散，本发明在制备掺杂石墨的聚丙烯腈基纳米复合材料的过程中采用超声和搅拌相结合的方式，基本实现了石墨的均匀分散，最终得到的复合材料为核壳结构，内核为单一未团聚的石墨或石墨衍生物颗粒，外壳为聚丙烯腈，聚合物外壳隔绝了石墨之间的相互作用，减少其积聚的倾向，有利于实现高浓度石墨的添加。