專利名稱：一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法
技術領域：
本發明屬于聚丙烯腈碳纖維的制備領域，特別涉及一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法。
背景技術：
聚丙烯腈是由丙烯腈為主要鏈結構單元的聚合物經過紡絲加工而制成的纖維，以聚丙烯腈原絲為前驅體制備的碳纖維綜合性能最好，產量占90%以上。聚丙烯腈基碳纖維集高機械強度、高模量、低比重、耐高溫、耐化學性和優良的電學物理機械性能于一體，其優良的性能和獨特的功能，在航空、航天、兵器、艦艇、汽車、機械制造、經紡、化工、電子、通信、 醫療器材等工業領域以及體育等領域開辟了廣泛的應用前景。隨著經濟的不斷發展，全球對具有特殊或者改進功能的新型纖維的需求不斷增加，尤其是具有高強度、導電性的纖維逐漸被探索應用于增強材料、功能服飾、電磁場、軍事等領域。石墨烯是碳原子之間SP2雜化成鍵，排列成二維蜂窩狀晶格的單原子層平面晶體， 具有大比表面積，優異的電學、熱學和力學性能。目前，石墨烯最吸引研究者的特性是其優異的力學性能，石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。使用石墨烯與基體聚合物復合制備復合材料或纖維，能夠明顯改善材料的性能，如提高物理機械性質，改善電學、耐熱性能等。關于石墨烯混雜聚合物復合材料的制備技術已有報道，例如中國專利， CN101474897陳永勝等，《石墨烯-有機材料層狀組裝膜及其制備方法》，其特征包括以石墨烯材料和有機材料為原料，通過旋涂、噴涂、浸潰-提拉等薄膜制備方法層層疊加成膜。 中國專利CN200910067708. 8陳永勝等，《石墨烯與碳纖維復合材料及其制備方法》，其主要特征包括它是以石墨烯和碳纖維材料為原料，通過涂覆的方法在碳纖維材料表面涂覆石墨烯涂層制備而成，該方法制備的產品主要為膜產品，而且由于僅采用涂覆的碳化好的碳纖維表面結合作用有限，性能增強程度必然也受影響。專利(ZL200810034458.3，一種碳納米管增強的聚丙烯腈基碳纖維的制備方法)公開了將碳納米管添加到聚丙烯腈中制備碳纖維的技術。已有的資料表明在利用石墨烯增強聚合物的性能方面確實做了很多努力，但是利用石墨烯增強聚丙烯腈基碳纖維的制備方法及工藝卻未見報道。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法， 該方法有效地提高了氧化石墨烯在聚合物基體中的分散和界面結合力，進一步提高了碳纖維的綜合性能，所制備碳纖維的力學性能得到明顯提高。本發明的一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，包括(I)以天然石墨或人造石墨為原料，超聲1-60分鐘后先以4000-6000rpm的速度離心2-10分鐘，收集上層溶液，再以12000-15000rpm的速度離心1_5分鐘，收集沉淀，真空干燥，即得石墨烯；或者以天然石墨或人造石墨為原料,采用Hummer法、Staudenmaier法或Brodie法制備氧化石墨；將氧化石墨分散于水中，經超聲處理后離心、洗滌、50-60°C真空干燥，得到氧化石墨烯；將氧化石墨烯分散于有機溶劑中，在常溫下超聲，得到氧化石墨烯懸浮液；(2)將聚丙烯腈加入到有機溶劑中，O 15°C下溶脹4 5h，加熱至70 75°C繼續攪拌2 3h，冷卻得到聚丙烯腈溶液；將上述石墨烯或氧化石墨烯懸浮液與聚丙烯腈溶液共混，室溫下攪拌5 6h，經過濾、脫泡后，得到石墨烯/聚丙烯腈紡絲原液；(3)將上述紡絲原液經濕法或干濕法紡絲工藝制得石墨烯/聚丙烯腈復合纖維； 其中，紡絲溫度為30 50°C，噴絲孔的孔徑為O. 08 O. 5mm，凝固浴的溫度為25 30°C， 拉伸速度為5-20m/min，拉伸倍數為2 15倍；(4)將上述復合纖維經過預氧化和碳化，得到石墨烯增強的聚丙烯基碳纖維。所述步驟(I)中的超聲功率為60-500W。所述步驟⑴和⑵中的有機溶劑為N，N’ - 二甲基甲酰胺(DMF)、N，N’ - 二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亞砜(DMSO)中的一種或幾種。所述步驟⑵中聚丙烯腈占紡絲原液的重量百分比為5 35%，石墨烯或氧化石墨烯相對于聚丙烯腈的重量百分比為O. I 20%。所述步驟(3)中的濕法紡絲所用的凝固浴為甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、丁酮、N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜和水中的任意一種；或者甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、丁酮、N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜中的任意一種或者兩種與水的混合溶液；當凝固浴為甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、丁酮、N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜中任意一種與水的混合溶液時，有機溶劑與水的體積比為2 8 8 2;當凝固浴為甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、丁酮、N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜中的任意兩種與水的混合溶液時，第一種有機溶劑、第二種有機溶劑與水的體積比為X : y : z, x+y+z = 10, x+y = 2 8,z = 8 2。所述凝固浴為N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜中的一種或兩種與水的混合溶液。所述步驟(4)中預氧化的工藝參數為在氧化爐中，采取梯度升溫法，氧化溫度分別為180、210、230、250、2701，每個溫度下氧化時間均為0.5 I小時，空氣氣氛。所述步驟(4)中碳化的工藝參數為低碳爐500 700°C，時間為40分鐘；高碳爐 900 1100°C，時間為10 30分鐘，氮氣氣氛。本發明的原理是首先對天然石墨進行氧化處理，并剝離得到氧化石墨烯，再將氧化石墨烯均勻的分散在有機溶劑中，進而通過溶液共混，使其均勻的分散到聚丙烯腈溶液中，制備出紡絲原液，經濕法或干濕法紡絲工藝制備了氧化石墨烯在PAN基體中分散良好的復合纖維，最后經過預氧化和碳化工藝制備石墨烯增強的聚丙烯腈基碳纖維復合材料。有益效果本發明有效地提高了氧化石墨烯在聚合物基體中的分散和界面結合力，進一步提高了碳纖維的綜合性能，所制備碳纖維的力學性能得到明顯提高，可以用于材料增強、導電、抗靜電、導熱等多個領域，且本發明制備工藝簡單，易控制，成本低。


圖I為濃度為O. lmg/ml氧化石墨和石墨烯懸浮液的紫外-可見光吸收譜圖；其中，(a)氧化石墨，(b)石墨烯；圖2為濕法紡絲裝置示意圖(該裝置可經改良成干法紡絲或干濕法紡絲)。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。實施例I(I)以天然石墨為原料,采用Hummer法制備氧化石墨。即將92ml濃硫酸加入到三頸燒瓶中，冰水浴攪拌至溫度降至0°C TC，再加入4g天然石墨粉末以及2g硝酸鈉 (NaNO3)，然后攪拌均勻，邊攪拌的同時，邊緩慢加入60g高錳酸鉀(KMnO4)，并保證溫度小于 20°C，加料完成后，將溶液加熱至35±3°C，并保持30min，接下來緩慢加入蒸餾水，并將溫度控制在100°C以內；15min后，通過加入大量的蒸餾水以及10ml30%的過氧化氫(H2O2), 將反應終止。將混合物通過離心處理，過濾，并用含5% HCl的水溶液多次洗滌，在50 60°C真空干燥，得到氧化石墨樣品；再取2. 5g氧化石墨分散在IOOml N，N’-二甲基乙酰胺 (DMAc)中，得到黃-棕色的分散液，超聲30min后，得到剝落的均勻分散在DMAc中的氧化石墨烯懸浮液。(2)將24. 5g聚丙烯腈粉末加入到IOOml N，N- 二甲基乙酰胺(DMAc)溶劑中，(TC 下溶脹4小時，水浴緩慢加熱至70°C，繼續攪拌2h，得到均勻的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取20ml制備的氧化石墨烯懸浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室溫下攪拌4. 5h，經過濾、靜置脫泡后，制得氧化石墨烯含量為2wt%的石墨烯/聚丙烯腈紡絲原液。 利用附圖2所示的濕紡裝置紡絲制備石墨烯/聚丙烯腈復合纖維，其中紡絲溫度為25°C，噴絲孔的孔徑為0.08臟，凝固浴的溫度為251，凝固浴組成為0獻(3/!120(1 I)溶液，牽伸速度為5m/min，拉伸4倍，即得石墨烯/聚丙烯腈復合纖維。(4)石墨烯/聚丙烯腈復合纖維通過預氧化和碳化得到石墨烯增強的碳纖維材料。其中預氧化工藝為氧化爐采取梯度升溫法，氧化溫度分別為180、210、230、250、 270°C，每個溫度下氧化時間均為O. 5h，空氣氣氛。碳化工藝低碳爐600°C，時間為40分鐘；高碳爐100(TC，時間為15分鐘，保護氣體為高純氮氣。最終得到氧化石墨烯質量百分數為2wt%的碳纖維。本實施方法所制備的碳纖維表面光滑，成纖性能良好，強度2. 8Gpa， 斷裂伸長為1.8%。實施例2(I)以天然石墨為原料，采用Staudenmaier法制備氧化石墨。將氧化石墨分散于水中，超聲功率為500W、超聲60分鐘后先以5000rpm的速度離心4分鐘，收集上層溶液，再以15000rpm的速度離心2分鐘，收集沉淀，60°C真空干燥，得到氧化石墨烯粉末。取2. 5g氧化石墨烯分散在100ml N，N’_ 二甲基乙酰胺(DMAc)中，得到黃-棕色的分散液，超聲40min后，得到剝落的均勻分散在DMAc中的氧化石墨烯懸浮液。(2)將16. 2g聚丙烯腈粉末加入到100ml N，N_二甲基乙酰胺(DMAc)溶劑中，15°C 下溶脹4小時，水浴緩慢加熱至70°C，繼續攪拌I. 5h，得到均勻的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取20ml制備的氧化石墨烯懸浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室溫下攪拌4. 5h，經過濾、靜置脫泡后，制得氧化石墨烯含量為3wt%的石墨烯/聚丙烯腈紡絲原液。 利用附圖所示的濕紡裝置紡絲制備石墨烯/聚丙烯腈復合纖維，其中紡絲溫度為25°C，噴絲孔的孔徑為0.08臟，凝固浴的溫度為251，凝固浴組成為0獻(3/!120(3 7)溶液，牽伸速度為20m/min,拉伸3. 5倍,即得石墨烯/聚丙烯腈復合纖維。(4)石墨烯/聚丙烯腈復合纖維通過預氧化和碳化得到石墨烯增強的碳纖維材料。其中預氧化工藝為氧化爐采取梯度升溫法，氧化溫度分別為180、210、230、250、 270°C，每個溫度下氧化時間均為40min，空氣氣氛。碳化工藝低碳爐700°C，時間為40分鐘；高碳爐900°C，時間為30分鐘，保護氣體為高純氮氣。最終得到氧化石墨烯質量百分數為3wt%的碳纖維。本實施方法所制備的碳纖維表面光滑，成纖性能良好，強度2. 7Gpa，斷裂伸長為1.8%。實施例3(I)以天然石墨為原料，采用Brodie法制備氧化石墨。將氧化石墨分散于水中， 超聲功率為500W、超聲60分鐘后先以5000rpm的速度離心4分鐘，收集上層溶液，再以 15000rpm的速度離心2分鐘，收集沉淀，60°C真空干燥，得到氧化石墨烯粉末。取2g氧化石墨烯分散在100mlN，N’ - 二甲基乙酰胺(DMAc)中，得到黃-棕色的分散液，超聲40min后， 得到剝落的均勻分散在DMAc中的氧化石墨烯懸浮液。(2)將19. 5g聚丙烯腈粉末加入到IOOml N，N- 二甲基乙酰胺(DMAc)溶劑中，8°C 下溶脹4小時，水浴緩慢加熱至70°C，繼續攪拌I. 5h，得到均勻的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取25ml制備的氧化石墨烯懸浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室溫下攪拌4. 5h，經過濾、靜置脫泡后，制得氧化石墨烯含量為2. 5wt%的石墨烯/聚丙烯腈紡絲原液。利用附圖2所示的濕紡裝置紡絲制備石墨烯/聚丙烯腈復合纖維，其中紡絲溫度為 25°C，噴絲頭為50孔，孔徑O. 1mm，凝固浴的溫度為25°C，凝固浴組成為DMAc/H20(5 5)溶液，牽伸速度為15m/min,拉伸4倍,即得石墨烯/聚丙烯腈復合纖維。(4)石墨烯/聚丙烯腈復合纖維通過預氧化和碳化得到石墨烯增強的碳纖維材料。其中預氧化工藝為氧化爐采取梯度升溫法，氧化溫度分別為180、210、230、250、 270°C，每個溫度下氧化時間均為40min，空氣氣氛。碳化工藝低碳爐700°C，時間為40分鐘；高碳爐1100°C，時間為10分鐘，保護氣體為高純氮氣。最終得到氧化石墨烯質量百分數為2. 5wt%的碳纖維。本實施方法所制備的碳纖維表面光滑,成纖性能良好,強度2. 69Gpa, 斷裂伸長為I. 38%。實施例4(I)以人工石墨為原料,采用Hummer法制備氧化石墨。即將92ml濃硫酸加入到三頸燒瓶中，冰水浴攪拌至溫度降至0°C TC，再加入4g天然石墨粉末以及2g硝酸鈉 (NaN03)，然后攪拌均勻，邊攪拌的同時，邊緩慢加入60g高錳酸鉀(KMnO4)，并保證溫度小于 20°C，加料完成后，將溶液加熱至35±3°C，并保持30min，接下來緩慢加入蒸餾水，并將溫度控制在100°C以內；15min后，通過加入大量的蒸餾水以及10ml30%的過氧化氫(H2O2)，將反應終止。將混合物通過離心處理，過濾，并用含5% HCl的水溶液多次洗滌，在50 60°C 真空干燥，得到氧化石墨樣品；取2.58氧化石墨分散在IOOml N，N’ - 二甲基甲酰胺(DMF) 中，得到黃-棕色的分散液，超聲30min后，得到剝落的均勻分散在DMF中的氧化石墨烯懸浮液。(2)將24. 5g聚丙烯腈粉末加入到IOOml N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中，10°C 下溶脹4小時，水浴緩慢加熱至70°C，繼續攪拌2h，得到均勻的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取20ml制備的氧化石墨烯懸浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室溫下攪拌4. 5h，經過濾、靜置脫泡后，制得氧化石墨烯含量為2wt%的石墨烯/聚丙烯腈紡絲原液。 利用附圖2所示的濕紡裝置紡絲制備石墨烯/聚丙烯腈復合纖維，其中紡絲溫度為25°C，噴絲頭為50孔，孔徑O. 1mm，凝固浴的溫度為25°C，凝固浴組成為DMF/H20(1 I)溶液，牽伸速度為15m/min，拉伸4倍，即得石墨烯/聚丙烯腈復合纖維。(4)石墨烯/聚丙烯腈復合纖維通過預氧化和碳化得到石墨烯增強的碳纖維材料。其中預氧化工藝為氧化爐采取梯度升溫法，氧化溫度分別為180、210、230、250、 270°C，每個溫度下氧化時間均為O. 5h，空氣氣氛。碳化工藝低碳爐600°C，時間為40分鐘；高碳爐100(TC，時間為15分鐘，保護氣體為高純氮氣。最終得到氧化石墨烯質量百分數為2wt%的碳纖維。本實施方法所制備的碳纖維表面光滑，成纖性能良好，強度3. OGpa, 斷裂伸長為1.0%。實施例5(I)以人工石墨為原料,采用Hummer法制備氧化石墨。即將92ml濃硫酸加入到三頸燒瓶中，冰水浴攪拌至溫度降至0°C TC，再加入4g天然石墨粉末以及2g硝酸鈉 (NaN03)，然后攪拌均勻，邊攪拌的同時，邊緩慢加入60g高錳酸鉀(KMnO4)，并保證溫度小于 20°C，加料完成后，將溶液加熱至35±3°C，并保持30min，接下來緩慢加入蒸餾水，并將溫度控制在100°C以內；15min后，通過加入大量的蒸餾水以及10ml30%的過氧化氫(H2O2)，將反應終止。將混合物通過離心處理，過濾，并用含5% HCl的水溶液多次洗滌，在50 60°C 真空干燥，得到氧化石墨樣品；取2.58氧化石墨分散在IOOml N，N’ - 二甲基甲酰胺(DMF) 中，得到黃-棕色的分散液，超聲30min后，得到剝落的均勻分散在DMF中的氧化石墨烯懸浮液。(2)將24g聚丙烯腈粉末加入到150ml N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中，15°C下溶脹4小時，水浴緩慢加熱至65°C，繼續攪拌2h，得到均勻的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取40ml制備的氧化石墨烯懸浮液，加入到150ml的聚丙烯腈溶液中，室溫下攪拌5h，經過濾、靜置脫泡后，制得氧化石墨烯含量為4wt %的石墨烯/聚丙烯腈紡絲原液。 利用附圖2所示的濕紡裝置紡絲制備石墨烯/聚丙烯腈復合纖維，其中紡絲溫度為25°C，噴絲頭為50孔，孔徑O. Imm,凝固浴的溫度為25°C，凝固浴組成為DMF/H20 (3 7)溶液，牽伸速度為5-20m/min,拉伸4倍,即得石墨烯/聚丙烯腈復合纖維。(4)石墨烯/聚丙烯腈復合纖維通過預氧化和碳化得到石墨烯增強的碳纖維材料。其中預氧化工藝為氧化爐采取梯度升溫法，氧化溫度分別為180、210、230、250、 270°C，每個溫度下氧化時間均為O. 5h，空氣氣氛。碳化工藝低碳爐600°C，時間為40分鐘；高碳爐100(TC，時間為15分鐘，保護氣體為高純氮氣。最終得到氧化石墨烯質量百分數為4wt%的碳纖維。本實施方法所制備的碳纖維表面光滑，成纖性能良好，強度3. IGpa,斷裂伸長為I. 18%。實施例6(I)以人工石墨為原料，將其分散于水中，超聲功率為500W、超聲60分鐘后先以 5000rpm的速度離心4分鐘，收集上層溶液，再以15000rpm的速度離心2分鐘，收集沉淀， 60°C真空干燥，得到石墨烯粉末。取2g石墨烯分散在IOOml N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，得到黃-棕色的分散液，超聲40min后，得到剝落的均勻分散在NMP中的石墨烯懸浮液。(2)將19. 5g聚丙烯腈粉末加入到IOOml N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶劑中，15°C下溶脹4小時，水浴緩慢加熱至70°C，繼續攪拌I. 5h，得到均勻的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取25ml制備的石墨烯懸浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室溫下攪拌
4.5h，經過濾、靜置脫泡后，制得石墨烯含量為4wt%的石墨烯/聚丙烯腈紡絲原液。利用附圖所示的濕紡裝置紡絲制備石墨烯/聚丙烯腈復合纖維，其中紡絲溫度為25°C，噴絲頭為 50孔，孔徑O. 1mm，凝固浴的溫度為25°C，凝固浴組成為NMP/H20(5 5)溶液，牽伸速度為 20m/min,拉伸5倍，即得石墨烯/聚丙烯腈復合纖維。(4)石墨烯/聚丙烯腈復合纖維通過預氧化和碳化得到石墨烯增強的碳纖維材料。其中預氧化工藝為氧化爐采取梯度升溫法，氧化溫度分別為180、210、230、250、 270°C，每個溫度下氧化時間均為40min，空氣氣氛。碳化工藝低碳爐600°C，時間為40分鐘；高碳爐100(TC，時間為15分鐘，保護氣體為高純氮氣。最終得到石墨烯質量百分數為 4wt%的碳纖維。本實施方法所制備的碳纖維表面光滑，成纖性能良好，強度2. 38Gpa。
權利要求
1.一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，包括(1)以天然石墨或人造石墨為原料，超聲1-60分鐘后先以4000-6000rpm的速度離心 2-10分鐘，收集上層溶液，再以12000-15000rpm的速度離心1_5分鐘，收集沉淀，真空干燥，即得石墨稀；或者以天然石墨或人造石墨為原料，采用Hummer法、Staudenmaier法或Brodie法制備氧化石墨；將氧化石墨分散于水中，經超聲處理后離心、洗滌、真空干燥，得到氧化石墨烯； 將氧化石墨烯分散于有機溶劑中，在常溫下超聲，得到氧化石墨烯懸浮液；(2)將聚丙烯腈加入到有機溶劑中，O 15°C下溶脹4 5h，加熱至70 75°C繼續攪拌2 3h，冷卻得到聚丙烯腈溶液；將上述石墨烯或氧化石墨烯懸浮液與聚丙烯腈溶液共混，室溫下攪拌5 6h，經過濾、脫泡后，得到石墨烯/聚丙烯腈紡絲原液；(3)將上述紡絲原液經濕法或干濕法紡絲工藝制得石墨烯/聚丙烯腈復合纖維；其中， 紡絲溫度為30 50°C，噴絲孔的孔徑為O. 08 O. 5mm,凝固浴的溫度為25 30°C，拉伸速度為5-20m/min，拉伸倍數為2 15倍；(4)將上述復合纖維經過預氧化和碳化，得到石墨烯增強的聚丙烯基碳纖維。
2.根據權利要求I所述的一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，其特征在于 所述步驟(I)中的超聲功率為60-500W。
3.根據權利要求I所述的一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，其特征在于 所述步驟⑴和⑵中的有機溶劑為N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜中的一種或幾種。
4.根據權利要求I所述的一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，其特征在于 所述步驟(2)中聚丙烯腈占紡絲原液的重量百分比為5 35%，石墨烯或氧化石墨烯相對于聚丙烯腈的重量百分比為O. I 20%。
5.根據權利要求I所述的一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，其特征在于 所述步驟(3)中的濕法紡絲所用的凝固浴為甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、丁酮、N，N’_ 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜和水中的任意一種；或者甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、丁酮、N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜中的任意一種或者兩種與水的混合溶液；當凝固浴為甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、丁酮、N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜中任意一種與水的混合溶液時，有機溶劑與水的體積比為2 : 8 8 : 2;當凝固浴為甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、丁酮、N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜中的任意兩種與水的混合溶液時，第一種有機溶劑、第二種有機溶劑與水的體積比為X : y : z, x+y+z = 10, x+y = 2 8,z = 8 2。
6.根據權利要求5所述的一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，其特征在于 所述凝固浴為N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜中的一種或兩種與水的混合溶液。
7.根據權利要求I所述的一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，其特征在于 所述步驟(4)中預氧化的工藝參數為在氧化爐中，采取梯度升溫法，氧化溫度分別為180、 210、230、250、270°C，每個溫度下氧化時間均為O. 5 I小時，空氣氣氛。
8.根據權利要求I所述的一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，其特征在于所述步驟(4)中碳化的工藝參數為低碳爐500 700°C，時間為40分鐘；高碳爐900 1100°C，時間為10 30分鐘，氮氣氣氛。
全文摘要
本發明涉及一種石墨烯增強聚丙烯腈碳纖維的制備方法，包括(1)制備石墨烯或氧化石墨烯；(2)制備石墨烯/聚丙烯腈紡絲液；(3)制備石墨烯/聚丙烯腈基復合纖維；(4)制備石墨烯/聚丙烯腈基碳。本發明有效地提高了氧化石墨烯在聚合物基體中的分散和界面結合力，進一步提高了碳纖維的綜合性能，所制備碳纖維的力學性能得到明顯提高，可以用于材料增強、導電、抗靜電、導熱等多個領域，且本發明制備工藝簡單，易控制，成本低。
文檔編號D01F9/22GK102586952SQ20121000500
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者尹朝清, 張清華, 羅偉強, 趙昕, 陳大俊 申請人:東華大學