专利名称：一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法
技术领域：
本发明属于聚丙烯腈碳纤维的制备领域，特别涉及一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法。
背景技术：
聚丙烯腈是由丙烯腈为主要链结构单元的聚合物经过纺丝加工而制成的纤维，以聚丙烯腈原丝为前驱体制备的碳纤维综合性能最好，产量占90%以上。聚丙烯腈基碳纤维集高机械强度、高模量、低比重、耐高温、耐化学性和优良的电学物理机械性能于一体，其优良的性能和独特的功能，在航空、航天、兵器、舰艇、汽车、机械制造、经纺、化工、电子、通信、 医疗器材等工业领域以及体育等领域开辟了广泛的应用前景。随着经济的不断发展，全球对具有特殊或者改进功能的新型纤维的需求不断增加，尤其是具有高强度、导电性的纤维逐渐被探索应用于增强材料、功能服饰、电磁场、军事等领域。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。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， 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、浸溃-提拉等薄膜制备方法层层叠加成膜。 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，该方法制备的产品主要为膜产品，而且由于仅采用涂覆的碳化好的碳纤维表面结合作用有限，性能增强程度必然也受影响。专利(ZL200810034458.3，一种碳纳米管增强的聚丙烯腈基碳纤维的制备方法)公开了将碳纳米管添加到聚丙烯腈中制备碳纤维的技术。已有的资料表明在利用石墨烯增强聚合物的性能方面确实做了很多努力，但是利用石墨烯增强聚丙烯腈基碳纤维的制备方法及工艺却未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法， 该方法有效地提高了氧化石墨烯在聚合物基体中的分散和界面结合力，进一步提高了碳纤维的综合性能，所制备碳纤维的力学性能得到明显提高。本发明的一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，包括(I)以天然石墨或人造石墨为原料，超声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；或者以天然石墨或人造石墨为原料,采用Hummer法、Staudenmaier法或Brodie法制备氧化石墨；将氧化石墨分散于水中，经超声处理后离心、洗涤、50-60°C真空干燥，得到氧化石墨烯；将氧化石墨烯分散于有机溶剂中，在常温下超声，得到氧化石墨烯悬浮液；(2)将聚丙烯腈加入到有机溶剂中，O 15°C下溶胀4 5h，加热至70 75°C继续搅拌2 3h，冷却得到聚丙烯腈溶液；将上述石墨烯或氧化石墨烯悬浮液与聚丙烯腈溶液共混，室温下搅拌5 6h，经过滤、脱泡后，得到石墨烯/聚丙烯腈纺丝原液；(3)将上述纺丝原液经湿法或干湿法纺丝工艺制得石墨烯/聚丙烯腈复合纤维； 其中，纺丝温度为30 50°C，喷丝孔的孔径为O. 08 O. 5mm，凝固浴的温度为25 30°C， 拉伸速度为5-20m/min，拉伸倍数为2 15倍；(4)将上述复合纤维经过预氧化和碳化，得到石墨烯增强的聚丙烯基碳纤维。所述步骤(I)中的超声功率为60-500W。所述步骤⑴和⑵中的有机溶剂为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)、二甲基亚砜(DMSO)中的一种或几种。所述步骤⑵中聚丙烯腈占纺丝原液的重量百分比为5 35%，石墨烯或氧化石墨烯相对于聚丙烯腈的重量百分比为O. I 20%。所述步骤(3)中的湿法纺丝所用的凝固浴为甲醇、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、二甲基亚砜和水中的任意一种；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、二甲基亚砜中的任意一种或者两种与水的混合溶液；当凝固浴为甲醇、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、二甲基亚砜中任意一种与水的混合溶液时，有机溶剂与水的体积比为2 8 8 2;当凝固浴为甲醇、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、二甲基亚砜中的任意两种与水的混合溶液时，第一种有机溶剂、第二种有机溶剂与水的体积比为X : y : z, x+y+z = 10, x+y = 2 8,z = 8 2。所述凝固浴为N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或两种与水的混合溶液。所述步骤(4)中预氧化的工艺参数为在氧化炉中，采取梯度升温法，氧化温度分别为180、210、230、250、2701，每个温度下氧化时间均为0.5 I小时，空气气氛。所述步骤(4)中碳化的工艺参数为低碳炉500 700°C，时间为40分钟；高碳炉 900 1100°C，时间为10 30分钟，氮气气氛。本发明的原理是首先对天然石墨进行氧化处理，并剥离得到氧化石墨烯，再将氧化石墨烯均匀的分散在有机溶剂中，进而通过溶液共混，使其均匀的分散到聚丙烯腈溶液中，制备出纺丝原液，经湿法或干湿法纺丝工艺制备了氧化石墨烯在PAN基体中分散良好的复合纤维，最后经过预氧化和碳化工艺制备石墨烯增强的聚丙烯腈基碳纤维复合材料。有益效果本发明有效地提高了氧化石墨烯在聚合物基体中的分散和界面结合力，进一步提高了碳纤维的综合性能，所制备碳纤维的力学性能得到明显提高，可以用于材料增强、导电、抗静电、导热等多个领域，且本发明制备工艺简单，易控制，成本低。
图I为浓度为O. lmg/ml氧化石墨和石墨烯悬浮液的紫外-可见光吸收谱图；其中，(a)氧化石墨，(b)石墨烯；图2为湿法纺丝装置示意图(该装置可经改良成干法纺丝或干湿法纺丝)。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例I(I)以天然石墨为原料,采用Hummer法制备氧化石墨。即将92ml浓硫酸加入到三颈烧瓶中，冰水浴搅拌至温度降至0°C TC，再加入4g天然石墨粉末以及2g硝酸钠 (NaNO3)，然后搅拌均匀，边搅拌的同时，边缓慢加入60g高锰酸钾(KMnO4)，并保证温度小于 20°C，加料完成后，将溶液加热至35±3°C，并保持30min，接下来缓慢加入蒸馏水，并将温度控制在100°C以内；15min后，通过加入大量的蒸馏水以及10ml30%的过氧化氢(H2O2), 将反应终止。将混合物通过离心处理，过滤，并用含5% HCl的水溶液多次洗涤，在50 60°C真空干燥，得到氧化石墨样品；再取2. 5g氧化石墨分散在IOOml N，N’-二甲基乙酰胺 (DMAc)中，得到黄-棕色的分散液，超声30min后，得到剥落的均匀分散在DMAc中的氧化石墨烯悬浮液。(2)将24. 5g聚丙烯腈粉末加入到IOOml N，N- 二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中，(TC 下溶胀4小时，水浴缓慢加热至70°C，继续搅拌2h，得到均匀的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取20ml制备的氧化石墨烯悬浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室温下搅拌4. 5h，经过滤、静置脱泡后，制得氧化石墨烯含量为2wt%的石墨烯/聚丙烯腈纺丝原液。 利用附图2所示的湿纺装置纺丝制备石墨烯/聚丙烯腈复合纤维，其中纺丝温度为25°C，喷丝孔的孔径为0.08臟，凝固浴的温度为251，凝固浴组成为0獻(3/!120(1 I)溶液，牵伸速度为5m/min，拉伸4倍，即得石墨烯/聚丙烯腈复合纤维。(4)石墨烯/聚丙烯腈复合纤维通过预氧化和碳化得到石墨烯增强的碳纤维材料。其中预氧化工艺为氧化炉采取梯度升温法，氧化温度分别为180、210、230、250、 270°C，每个温度下氧化时间均为O. 5h，空气气氛。碳化工艺低碳炉600°C，时间为40分钟；高碳炉100(TC，时间为15分钟，保护气体为高纯氮气。最终得到氧化石墨烯质量百分数为2wt%的碳纤维。本实施方法所制备的碳纤维表面光滑，成纤性能良好，强度2. 8Gpa， 断裂伸长为1.8%。实施例2(I)以天然石墨为原料，采用Staudenmaier法制备氧化石墨。将氧化石墨分散于水中，超声功率为500W、超声60分钟后先以5000rpm的速度离心4分钟，收集上层溶液，再以15000rpm的速度离心2分钟，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，得到黄-棕色的分散液，超声40min后，得到剥落的均匀分散在DMAc中的氧化石墨烯悬浮液。(2)将16. 2g聚丙烯腈粉末加入到100ml N，N_二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中，15°C 下溶胀4小时，水浴缓慢加热至70°C，继续搅拌I. 5h，得到均匀的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取20ml制备的氧化石墨烯悬浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室温下搅拌4. 5h，经过滤、静置脱泡后，制得氧化石墨烯含量为3wt%的石墨烯/聚丙烯腈纺丝原液。 利用附图所示的湿纺装置纺丝制备石墨烯/聚丙烯腈复合纤维，其中纺丝温度为25°C，喷丝孔的孔径为0.08臟，凝固浴的温度为251，凝固浴组成为0獻(3/!120(3 7)溶液，牵伸速度为20m/min,拉伸3. 5倍,即得石墨烯/聚丙烯腈复合纤维。(4)石墨烯/聚丙烯腈复合纤维通过预氧化和碳化得到石墨烯增强的碳纤维材料。其中预氧化工艺为氧化炉采取梯度升温法，氧化温度分别为180、210、230、250、 270°C，每个温度下氧化时间均为40min，空气气氛。碳化工艺低碳炉700°C，时间为40分钟；高碳炉900°C，时间为30分钟，保护气体为高纯氮气。最终得到氧化石墨烯质量百分数为3wt%的碳纤维。本实施方法所制备的碳纤维表面光滑，成纤性能良好，强度2. 7Gpa，断裂伸长为1.8%。实施例3(I)以天然石墨为原料，采用Brodie法制备氧化石墨。将氧化石墨分散于水中， 超声功率为500W、超声60分钟后先以5000rpm的速度离心4分钟，收集上层溶液，再以 15000rpm的速度离心2分钟，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，得到黄-棕色的分散液，超声40min后， 得到剥落的均匀分散在DMAc中的氧化石墨烯悬浮液。(2)将19. 5g聚丙烯腈粉末加入到IOOml N，N- 二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中，8°C 下溶胀4小时，水浴缓慢加热至70°C，继续搅拌I. 5h，得到均匀的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取25ml制备的氧化石墨烯悬浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室温下搅拌4. 5h，经过滤、静置脱泡后，制得氧化石墨烯含量为2. 5wt%的石墨烯/聚丙烯腈纺丝原液。利用附图2所示的湿纺装置纺丝制备石墨烯/聚丙烯腈复合纤维，其中纺丝温度为 25°C，喷丝头为50孔，孔径O. 1mm，凝固浴的温度为25°C，凝固浴组成为DMAc/H20(5 5)溶液，牵伸速度为15m/min,拉伸4倍,即得石墨烯/聚丙烯腈复合纤维。(4)石墨烯/聚丙烯腈复合纤维通过预氧化和碳化得到石墨烯增强的碳纤维材料。其中预氧化工艺为氧化炉采取梯度升温法，氧化温度分别为180、210、230、250、 270°C，每个温度下氧化时间均为40min，空气气氛。碳化工艺低碳炉700°C，时间为40分钟；高碳炉1100°C，时间为10分钟，保护气体为高纯氮气。最终得到氧化石墨烯质量百分数为2. 5wt%的碳纤维。本实施方法所制备的碳纤维表面光滑,成纤性能良好,强度2. 69Gpa, 断裂伸长为I. 38%。实施例4(I)以人工石墨为原料,采用Hummer法制备氧化石墨。即将92ml浓硫酸加入到三颈烧瓶中，冰水浴搅拌至温度降至0°C TC，再加入4g天然石墨粉末以及2g硝酸钠 (NaN03)，然后搅拌均匀，边搅拌的同时，边缓慢加入60g高锰酸钾(KMnO4)，并保证温度小于 20°C，加料完成后，将溶液加热至35±3°C，并保持30min，接下来缓慢加入蒸馏水，并将温度控制在100°C以内；15min后，通过加入大量的蒸馏水以及10ml30%的过氧化氢(H2O2)，将反应终止。将混合物通过离心处理，过滤，并用含5% HCl的水溶液多次洗涤，在50 60°C 真空干燥，得到氧化石墨样品；取2.58氧化石墨分散在IOOml N，N’ - 二甲基甲酰胺(DMF) 中，得到黄-棕色的分散液，超声30min后，得到剥落的均匀分散在DMF中的氧化石墨烯悬浮液。(2)将24. 5g聚丙烯腈粉末加入到IOOml N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，10°C 下溶胀4小时，水浴缓慢加热至70°C，继续搅拌2h，得到均匀的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取20ml制备的氧化石墨烯悬浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室温下搅拌4. 5h，经过滤、静置脱泡后，制得氧化石墨烯含量为2wt%的石墨烯/聚丙烯腈纺丝原液。 利用附图2所示的湿纺装置纺丝制备石墨烯/聚丙烯腈复合纤维，其中纺丝温度为25°C，喷丝头为50孔，孔径O. 1mm，凝固浴的温度为25°C，凝固浴组成为DMF/H20(1 I)溶液，牵伸速度为15m/min，拉伸4倍，即得石墨烯/聚丙烯腈复合纤维。(4)石墨烯/聚丙烯腈复合纤维通过预氧化和碳化得到石墨烯增强的碳纤维材料。其中预氧化工艺为氧化炉采取梯度升温法，氧化温度分别为180、210、230、250、 270°C，每个温度下氧化时间均为O. 5h，空气气氛。碳化工艺低碳炉600°C，时间为40分钟；高碳炉100(TC，时间为15分钟，保护气体为高纯氮气。最终得到氧化石墨烯质量百分数为2wt%的碳纤维。本实施方法所制备的碳纤维表面光滑，成纤性能良好，强度3. OGpa, 断裂伸长为1.0%。实施例5(I)以人工石墨为原料,采用Hummer法制备氧化石墨。即将92ml浓硫酸加入到三颈烧瓶中，冰水浴搅拌至温度降至0°C TC，再加入4g天然石墨粉末以及2g硝酸钠 (NaN03)，然后搅拌均匀，边搅拌的同时，边缓慢加入60g高锰酸钾(KMnO4)，并保证温度小于 20°C，加料完成后，将溶液加热至35±3°C，并保持30min，接下来缓慢加入蒸馏水，并将温度控制在100°C以内；15min后，通过加入大量的蒸馏水以及10ml30%的过氧化氢(H2O2)，将反应终止。将混合物通过离心处理，过滤，并用含5% HCl的水溶液多次洗涤，在50 60°C 真空干燥，得到氧化石墨样品；取2.58氧化石墨分散在IOOml N，N’ - 二甲基甲酰胺(DMF) 中，得到黄-棕色的分散液，超声30min后，得到剥落的均匀分散在DMF中的氧化石墨烯悬浮液。(2)将24g聚丙烯腈粉末加入到150ml N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，15°C下溶胀4小时，水浴缓慢加热至65°C，继续搅拌2h，得到均匀的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取40ml制备的氧化石墨烯悬浮液，加入到150ml的聚丙烯腈溶液中，室温下搅拌5h，经过滤、静置脱泡后，制得氧化石墨烯含量为4wt %的石墨烯/聚丙烯腈纺丝原液。 利用附图2所示的湿纺装置纺丝制备石墨烯/聚丙烯腈复合纤维，其中纺丝温度为25°C，喷丝头为50孔，孔径O. Imm,凝固浴的温度为25°C，凝固浴组成为DMF/H20 (3 7)溶液，牵伸速度为5-20m/min,拉伸4倍,即得石墨烯/聚丙烯腈复合纤维。(4)石墨烯/聚丙烯腈复合纤维通过预氧化和碳化得到石墨烯增强的碳纤维材料。其中预氧化工艺为氧化炉采取梯度升温法，氧化温度分别为180、210、230、250、 270°C，每个温度下氧化时间均为O. 5h，空气气氛。碳化工艺低碳炉600°C，时间为40分钟；高碳炉100(TC，时间为15分钟，保护气体为高纯氮气。最终得到氧化石墨烯质量百分数为4wt%的碳纤维。本实施方法所制备的碳纤维表面光滑，成纤性能良好，强度3. IGpa,断裂伸长为I. 18%。实施例6(I)以人工石墨为原料，将其分散于水中，超声功率为500W、超声60分钟后先以 5000rpm的速度离心4分钟，收集上层溶液，再以15000rpm的速度离心2分钟，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，得到黄-棕色的分散液，超声40min后，得到剥落的均匀分散在NMP中的石墨烯悬浮液。(2)将19. 5g聚丙烯腈粉末加入到IOOml N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中，15°C下溶胀4小时，水浴缓慢加热至70°C，继续搅拌I. 5h，得到均匀的聚丙烯腈(PAN)溶液。(3)取25ml制备的石墨烯悬浮液，加入到IOOml的聚丙烯腈溶液中，室温下搅拌
4.5h，经过滤、静置脱泡后，制得石墨烯含量为4wt%的石墨烯/聚丙烯腈纺丝原液。利用附图所示的湿纺装置纺丝制备石墨烯/聚丙烯腈复合纤维，其中纺丝温度为25°C，喷丝头为 50孔，孔径O. 1mm，凝固浴的温度为25°C，凝固浴组成为NMP/H20(5 5)溶液，牵伸速度为 20m/min,拉伸5倍，即得石墨烯/聚丙烯腈复合纤维。(4)石墨烯/聚丙烯腈复合纤维通过预氧化和碳化得到石墨烯增强的碳纤维材料。其中预氧化工艺为氧化炉采取梯度升温法，氧化温度分别为180、210、230、250、 270°C，每个温度下氧化时间均为40min，空气气氛。碳化工艺低碳炉600°C，时间为40分钟；高碳炉100(TC，时间为15分钟，保护气体为高纯氮气。最终得到石墨烯质量百分数为 4wt%的碳纤维。本实施方法所制备的碳纤维表面光滑，成纤性能良好，强度2. 38Gpa。
权利要求
1.一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，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，即得石墨稀；或者以天然石墨或人造石墨为原料，采用Hummer法、Staudenmaier法或Brodie法制备氧化石墨；将氧化石墨分散于水中，经超声处理后离心、洗涤、真空干燥，得到氧化石墨烯； 将氧化石墨烯分散于有机溶剂中，在常温下超声，得到氧化石墨烯悬浮液；(2)将聚丙烯腈加入到有机溶剂中，O 15°C下溶胀4 5h，加热至70 75°C继续搅拌2 3h，冷却得到聚丙烯腈溶液；将上述石墨烯或氧化石墨烯悬浮液与聚丙烯腈溶液共混，室温下搅拌5 6h，经过滤、脱泡后，得到石墨烯/聚丙烯腈纺丝原液；(3)将上述纺丝原液经湿法或干湿法纺丝工艺制得石墨烯/聚丙烯腈复合纤维；其中， 纺丝温度为30 50°C，喷丝孔的孔径为O. 08 O. 5mm,凝固浴的温度为25 30°C，拉伸速度为5-20m/min，拉伸倍数为2 15倍；(4)将上述复合纤维经过预氧化和碳化，得到石墨烯增强的聚丙烯基碳纤维。
2.根据权利要求I所述的一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，其特征在于 所述步骤(I)中的超声功率为60-500W。
3.根据权利要求I所述的一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，其特征在于 所述步骤⑴和⑵中的有机溶剂为N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或几种。
4.根据权利要求I所述的一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，其特征在于 所述步骤(2)中聚丙烯腈占纺丝原液的重量百分比为5 35%，石墨烯或氧化石墨烯相对于聚丙烯腈的重量百分比为O. I 20%。
5.根据权利要求I所述的一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，其特征在于 所述步骤(3)中的湿法纺丝所用的凝固浴为甲醇、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、二甲基亚砜和水中的任意一种；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、二甲基亚砜中的任意一种或者两种与水的混合溶液；当凝固浴为甲醇、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、二甲基亚砜中任意一种与水的混合溶液时，有机溶剂与水的体积比为2 : 8 8 : 2;当凝固浴为甲醇、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、二甲基亚砜中的任意两种与水的混合溶液时，第一种有机溶剂、第二种有机溶剂与水的体积比为X : y : z, x+y+z = 10, x+y = 2 8,z = 8 2。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，其特征在于 所述凝固浴为N，N’ - 二甲基甲酰胺、N，N’ - 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或两种与水的混合溶液。
7.根据权利要求I所述的一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，其特征在于 所述步骤(4)中预氧化的工艺参数为在氧化炉中，采取梯度升温法，氧化温度分别为180、 210、230、250、270°C，每个温度下氧化时间均为O. 5 I小时，空气气氛。
8.根据权利要求I所述的一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，其特征在于所述步骤(4)中碳化的工艺参数为低碳炉500 700°C，时间为40分钟；高碳炉900 1100°C，时间为10 30分钟，氮气气氛。
全文摘要
本发明涉及一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，包括(1)制备石墨烯或氧化石墨烯；(2)制备石墨烯/聚丙烯腈纺丝液；(3)制备石墨烯/聚丙烯腈基复合纤维；(4)制备石墨烯/聚丙烯腈基碳。本发明有效地提高了氧化石墨烯在聚合物基体中的分散和界面结合力，进一步提高了碳纤维的综合性能，所制备碳纤维的力学性能得到明显提高，可以用于材料增强、导电、抗静电、导热等多个领域，且本发明制备工艺简单，易控制，成本低。
文档编号D01F9/22GK102586952SQ20121000500
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者尹朝清, 张清华, 罗伟强, 赵昕, 陈大俊 申请人:东华大学