[发明专利]一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚酰亚胺纤维的制备领域，特别涉及一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法。

背景技术

聚酰亚胺是一类以酰亚胺环为特征结构的聚合物，这类聚合物具有优良的耐热、机械和介电性能以及良好的抗冲击、抗辐射和耐溶剂等特点。目前各类聚酰亚胺制品已广泛应用于航天航空、电子电工、汽车等行业中，但随着现代工业的不断发展，对材料的性能要求也越来越高。聚酰亚胺纤维作为高技术纤维的一个品种，它不仅具有较高的强度和模量，而且其热氧化稳定性十分优越。聚酰亚胺纤维的热膨胀系数较小，吸水性低，电绝缘性好。优良的耐辐射性能使得聚酰亚胺纤维在譬如高温、放射性环境中具有比其它高技术聚合物纤维更大的优势。进一步提高聚酰亚胺纤维的性能，如耐高温和力学性能等特性需要对聚酰亚胺纤维进行改性，石墨烯作为新型纳米材料的典型代表，是重要的候选材料之一。

石墨烯是碳原子之间SP²杂化成键，排列成二维蜂窝状晶格的单原子层平面晶体，具有大比表面积，优异的电学、热学和力学性能。目前，石墨烯最吸引研究者的特性是其优异的力学性能，石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。使用石墨烯与基体聚合物复合制备复合材料或纤维，能够明显改善材料的性能，如提高物理机械性质，改善电学、耐热性能等。目前制备石墨烯/聚合物复合材料的方法主要有：溶液共混法、机械共混法和原位聚合法。

关于石墨烯混杂聚合物复合材料的制备技术已有报道，例如：中国专利CN200910067708.8陈永胜等，《石墨烯与碳纤维复合材料及其制备方法》，其主要特征包括：它是以石墨烯和碳纤维材料为原料，通过涂覆的方法在碳纤维材料表面涂覆石墨烯涂层制备而成。中国专利，CN101474897陈永胜等，《石墨烯-有机材料层状组装膜及其制备方法》，其特征包括：以石墨烯材料和有机材料为原料，通过旋涂、喷涂、浸渍-提拉等薄膜制备方法层层叠加成膜。陈丹等利用溶液共混法制备了力学性能优异的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜(D.Chen，H.Zhu and T.X.Liu，Acs Appl Mater Inter，2.(2010).)。Wang等通过原位聚合制备出了低介电常数，力学性能优异的氧化石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜(.J.Y.Wang，S.Y.Yang，Y.L.Huang，H.W.Tien，W.K.Chin and C.C.M.Ma，J Mater Chem，21.(2011))。Luong，N.D.等通过原位聚合，制备了石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜，提高了聚酰亚胺薄膜的力学性能，改善了其导电性能，改善后的力学性能达到2.3GPa(N.D.Luong，U.Hippi，J.T.Korhonen，A.J.Soininen，J.Ruokolainen，L.S.Johansson，J.D.Nam，L.H.Sinh and J.Seppala，Polymer，52.(2011).)。

前人在利用石墨烯增强聚酰亚胺薄膜的性能方面做了很多努力，但是利用石墨烯增强聚酰亚胺纤维的制备方法及工艺却未见报道。

聚酰亚胺纤维的制备有两步法和一步法之分。两步法制备工艺包括：第一步将聚酰胺酸纺丝溶液经湿法或干-湿法喷丝得到聚酰胺酸纤维，第二步再将聚酰胺酸纤维经化学环化或热环化得到聚酰亚胺纤维，因而称为两步法。其中第一步制备的聚酰胺酸纤维的稳定性较差，酰亚胺化困难，限制了聚酰亚胺纤维的规模化生产和力学性能的提高。与两步法不同，一步法路线是以聚酰亚胺溶液为纺丝浆液，没有酰亚胺化的工序，纤维成形后可直接制备聚酰亚胺纤维，但可溶性聚酰亚胺溶液一般采用酚类(如间甲酚、对氯酚、间氯酚等)为溶剂，该类溶剂的毒性比较大，工业化推广存在较大问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法，该方法克服了聚酰胺酸纤维的纺丝成形困难的问题，并提高了复合纤维的力学性能，同时解决了石墨烯在基体聚合物中的分散不均匀和界面粘合性问题。

本发明的一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法，包括：

(1)以天然石墨或人造石墨为原料，超声(超声功率为60-500W)1-60分钟后先以4000-6000rpm的速度离心2-10分钟，收集上层溶液，再以12000-15000rpm的速度离心1-5分钟，收集沉淀，真空干燥，即得石墨烯；