[发明专利]一种石墨烯包覆聚丙烯腈纤维复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属石墨烯基复合材料的制备领域，特别是涉及一种石墨烯包覆聚丙烯腈纤维(graphene/PAN)复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子按sp²碳晶格紧密排列形成类似于蜂窝状结构的层状材料，近年来受到科学界的广泛关注。石墨烯的电子运动速度达到光速的1/300，也就是说远远超过了电子在一般导体中的运动速度，许多研究期待通过与石墨烯复合以达到提高材料电性能的目的。此外，它还具有很多优良的性能：良好的热传导性能、机械性能、化学稳定性，大的表面积-体积比，这使得它在纳米电子学、传感器、纳米复合材料、电池、超级电容器和氢存储等许多科技领域具有巨大的应用前景。

近年来研究者发现，石墨烯复合材料可以显著提高原材料的电导率、导热性、机械强度等性能。Zhang等在J.Mater.Chem.21(2011)6916-6921上报道了低温下冷凝回过程中石墨烯通过强大的π-π键作用均匀包覆在聚苯乙烯微球表面形成聚苯乙烯/氧化石墨核壳结构。在外电场作用下，由聚苯乙烯/氧化石墨核壳结构形成的电致流变流体表现出良好的可逆连锁结构，其剪切应力随着场强的增加而增大，为石墨烯及氧化石墨在电流变材料领域中的应用提供可靠的依据。Zhang等在Chem.Mater.22(2010)1392-1401上报道了在苯胺单体聚合形成聚苯胺的过程中加入改性过的石墨烯，制备出可应用于超级电容器电极的石墨烯聚苯胺纳米纤维复合材料。当电流密度为0.1A/g时，其比电容为480F/g，高于苯胺掺杂石墨烯复合物，并且具有良好的循环稳定性。Liang等在Carbon 47(2009)922-925上报道了将石墨烯还原后，与环氧树脂通过原位法制备出石墨烯/环氧树脂复合材料，其电磁性能优良，电磁干扰频率范围达8.2-12.4GHz。

关于石墨烯复合材料的研究已然很多，但是大部分研究仅关注于颗粒状复合材料制备及性能研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯包覆聚丙烯腈纤维复合材料的制备方法，该制备方法简单，易于工业化生产；所制备的graphene/PAN复合材料中石墨烯还原程度好，均匀的包覆在聚丙烯腈纤维(PAN)表面，复合材料体电阻率小。

本发明的一种石墨烯包覆聚丙烯腈纤维复合材料的制备方法，包括：

(1)将聚丙烯腈纤维浸入碱溶液中，于90～120℃处理15～60min，然后用去离子水洗涤至中性，干燥后，得到碱处理后的聚丙烯腈纤维；

(2)将上述碱处理后的聚丙烯腈纤维在硅烷偶联剂KH550溶液中浸泡，干燥，得到单层KH550改性后的聚丙烯腈纤维；

(3)将上述单层KH550改性后的聚丙烯腈纤维在氧化石墨(GO)分散液中浸泡后，干燥得到单层氧化石墨改性的聚丙烯腈纤维；

(4)采用上述单层氧化石墨改性的聚丙烯腈纤维作为原料，重复上述的步骤(2)和步骤(3)n次，得到n+1层氧化石墨改性的聚丙烯腈纤维，其中1≤n≤10；

(5)将上述n+1层氧化石墨改性的聚丙烯腈纤维置于氧化石墨的分散液中，然后滴加水合肼水溶液，升温至90～110℃，反应20～60min，最后冷却、去离子水洗涤产物、烘干，即得graphene/PAN复合材料(石墨烯包覆聚丙烯腈纤维复合材料)。

步骤(1)中所述的碱为KOH或NaOH，碱液浓度为5～15wt％，碱液与聚丙烯腈纤维的比例为1～20mg∶1mL。

步骤(1)中所述的干燥的温度为40～80℃，干燥时间为8～24h。

步骤(2)中所述的硅烷偶联剂KH550溶液为KH550的水醇混合溶液，水醇比为1∶1～1∶3，KH550在溶液中的浓度为0.5～2mg/mL。

上述的水醇混合溶液中所述的醇为无水乙醇。

步骤(2)中所述的硅烷偶联剂KH550溶液中KH550的用量为聚丙烯腈纤维质量的10％～50％。

步骤(2)中所述的浸泡的时间为8-30h，浸泡温度为室温；所述干燥的温度为65～80℃，干燥时间为10～16h。

步骤(3)中所述的氧化石墨分散液中氧化石墨GO的浓度为0.5～2mg/mL。

步骤(3)中所述浸泡的温度为65～85℃，浸泡时间1.5～5h；所述干燥的温度为45～70℃，干燥时间为5～12h。

步骤(5)中所述的氧化石墨的分散液中氧化石墨的浓度为0.5～2mg/mL。

步骤(5)中所述的水合肼水溶液中水合肼的浓度50wt％，所加入水合肼水溶液的体积为整个反应体系体积的1％～2％。