[发明专利]一种掺杂石墨烯的碳纤维的制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种掺杂石墨烯的碳纤维的制备方法及其应用，属于碳纤维制备技术领域。该碳纤维利用水相沉淀聚合制备的聚丙烯腈/石墨烯纳米复合颗粒为原料以实现石墨烯的引入，通过干喷湿纺工艺进行纺丝，石墨烯可以加快聚合物原料的溶解，在石墨化过程中诱导形成规整且完善的石墨晶格结构，所制备的碳纤维具有较高的比强度，导热性良好，可广泛应用于高性能产品，因此具有良好的实际应用之价值。

技术领域

本发明属于碳纤维制备技术领域，具体涉及一种掺杂石墨烯的碳纤维的制备方法及其应用。

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。

碳纤维是一种新型无机纤维材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪和相对密度小等一系列优异性能，属于典型的高性能纤维。目前，碳纤维在高级体育用品、医疗器械等民用行业及航空航天、国防军事等尖端领域得到了广泛的应用。

高性能碳纤维的主要原料是聚丙烯腈，通过纺丝、预氧化、碳化及石墨化工艺可以制备碳纤维，然而目前工艺生产的碳纤维其性能在理论与实际上存在的巨大差距，更高性能的碳纤维也越来越成为人们坚持不懈的追求。物质结构决定其性质，目前碳纤维性能不够理想的主要原因是其结构与理想结构存在一定的偏离造成的。理想的碳纤维有着完善、规整的石墨晶格结构，然而目前工艺中由于聚丙烯腈分子链本身存在一定的刚性，排列不够规整，加上第二单体的存在破坏了分子链的结构，使得最终碳纤维石墨化程度低且石墨晶格结构杂乱排布，严重制约了碳纤维性能的提升。

通过添加改性物质来提高碳纤维的石墨化程度一直是人们努力的一个方向，其中，石墨烯材料与碳纤维在结构上存在一定的相似性，有研究表明其可以在纺丝过程中作为成核剂和模板剂，诱导分子链结晶并促进内部晶体结构规整排列。发明人发现，目前人们采用将聚丙烯腈与石墨烯溶解后再相互混合的方法引入石墨烯以进行改性，然而聚丙烯腈溶液粘度很高，且分子链之间相互缠结，将石墨烯均匀分散在聚丙烯腈分子链中间是十分困难的，此外，在分散过程中石墨烯片层之间因为π-π相互作用而互相吸引，浓度稍高便会造成严重的团聚现象，进而在纤维中演化为缺陷，因此目前配备纺丝溶液往往需要很长的时间或是复杂的工艺，严重制约了生产效率的提高。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种掺杂石墨烯的碳纤维的制备方法及其应用。本发明通过以聚丙烯腈/石墨烯复合材料为原料实现了石墨烯的添加，通过干喷湿纺工艺并经过多道水洗和牵伸后制得聚丙烯腈原丝，最后通过预氧化、碳化及石墨化处理，可以得到高性能的碳纤维，因此具有良好的实际应用之价值。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

本发明的第一个方面，提供一种掺杂石墨烯的碳纤维的制备方法，所述制备方法包括：采用水相沉淀聚合制备的聚丙烯腈/石墨烯复合材料作为纺丝原料，然后进行干喷湿纺、预氧化、碳化和石墨化处理即得。

其中，所述纺丝原料具体制备方法为：将丙烯腈与掺杂的石墨烯材料在水中混合均匀，用过硫酸铵或过硫酸铵-亚硫酸铵复合引发体系引发聚合反应，将反应得到的沉淀产物过滤、洗涤、干燥后即得纺丝原料；本发明采用水相沉淀聚合制备的聚丙烯腈/石墨烯复合材料作为原料制备纺丝原液，该纳米颗粒溶解后可以直接实现聚丙烯腈与石墨烯的均匀混合，极大地提高了生产效率，有效的避免了石墨烯的团聚。

本发明的第二个方面，提供上述制备方法制得的掺杂石墨烯的碳纤维。

本发明的第三个方面，提供上述掺杂石墨烯的碳纤维在如下任意一种或多种中的应用：

1)作为储氢材料和/或制备储氢材料；

2)作为高容量电极材料和/或制备高容量电极材料；

3)作为高性能复合材料和/或制备高性能复合材料。