[发明专利]一种高规整度掺杂石墨烯碳纳米纤维的制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种高规整度掺杂石墨烯碳纳米纤维的制备方法及其应用，属于碳纤维制备技术领域。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，并通过静电纺丝工艺制备原丝，最后通过预氧化、碳化及石墨化处理，从而可以得到高性能碳纳米纤维材料。本发明制备工艺流程短，生产效率高，纳米级的纤维直径有效避免了热处理过程中皮芯结构的产生，石墨烯的掺入可以加快聚合物原料的溶解，提高纤维的石墨化程度，有效增强碳纳米纤维的机械性能及导热性能，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，具体涉及一种高规整度掺杂石墨烯碳纳米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。

20世纪60年代以来，碳纤维逐渐发展成为重要的工业材料，因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。自静电纺丝技术成熟以来，碳纳米纤维得到了极大的发展，相比于碳纤维复杂的纺丝过程，静电纺丝制备碳纳米纤维的过程显得更加简单，可以方便的调整工艺参数，此外碳纳米纤维纳米级的直径可以减少纤维内部的缺陷，有效消除皮芯结构的影响。然而简便的工艺过程也带来很多缺点，如碳纳米纤维石墨化程度低，取向性差，纤维之间结构均一性差，常伴有粗糙的表面及串珠结构等。虽然在宏观结构方面碳纤维和碳纳米纤维存在很多差异，但是二者内部结构上有很大的相似性，因此在碳纳米纤维研究中取得的成果可以有效地指导碳纤维的生产。

通过添加改性物质来提高碳纤维的性能是目前研究的一个热点。而石墨烯材料有着较为完善的石墨晶格结构，有研究表明石墨烯材料可以作为碳纤维石墨化过程中的模板剂和成核剂，提高石墨化程度，因此逐渐成为改性物质的热门选择。但是发明人发现，目前常用的引入石墨烯进行改性的方式主要是将聚丙烯腈与石墨烯溶解后再相互混合的方法，但是本身在高粘度聚丙烯腈溶液中均匀分散石墨烯其实是十分困难的，而且石墨烯浓度稍高便会受π-π相互作用影响而发生团聚现象，从而使得制备的纤维内部产生缺陷。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种高规整度掺杂石墨烯碳纳米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，并通过静电纺丝工艺制备原丝，最后通过预氧化、碳化及石墨化处理，从而可以得到高性能碳纳米纤维材料，其具有较高的强度、质轻、导热性良好，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，提供一种高规整度掺杂石墨烯碳纳米纤维的制备方法，所述制备方法包括：将配制得到的纺丝溶液进行静电纺丝处理，然后将获得的纳米纤维毡依次通过热牵伸、预氧化、碳化和石墨化处理即得。

其中，所述纺丝溶液具体配制方法为：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-亚硫酸铵复合引发剂等水溶性引发体系引发聚合反应，将产物溶于有机溶剂得纺丝溶液进行后续处理；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，从而显著提高生产效率，并有效避免石墨烯的团聚现象。

本发明的第二个方面，提供上述制备方法制得的高规整度掺杂石墨烯碳纳米纤维。石墨烯的添加促进了原料的溶解，提高了纤维的石墨化程度和规整性。

本发明的第三个方面，提供上述高规整度掺杂石墨烯碳纳米纤维在如下任意一种或多种中的应用：

a)作为储氢材料和/或制备储氢材料；

b)作为高容量电极材料和/或制备高容量电极材料；

c)作为高性能复合材料和/或制备高性能复合材料。

其中，所述高容量电极材料可以是燃料电池电极材料。