[发明专利]一种氧化石墨烯改性PAN碳纤维原丝的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于改性PAN纤维原丝的制备领域，特别涉及一种氧化石墨烯改性PAN碳纤维原丝的制备方法。

背景技术

碳纤维具有质量轻，耐高温，力学性能好等特点，在航空、航天、汽车、运动等许多高新技术领域获得了广泛的应用。生产碳纤维的前驱体主要有粘胶、聚丙烯腈（PAN）和沥青等有机纤维。采用PAN纤维制备碳纤维，生产工艺较其他方法简单，产品的综合性能良好，因此得到迅速发展。碳纤维的性能好坏关键在于原丝的质量：原丝中PAN分子的轴向取向和缺陷。原丝的内部缺陷在碳化后会几乎形状不变地保留在碳纤维中，原丝的结构、性能对预氧化、碳化中新的缺陷的产生也有决定性的影响，这些缺陷将导致碳纤维的力学性能特别是强度下降；取向度则很大程度上决定了碳化过程中形成的类石墨层片的取向，取向度的提高有利于提高碳纤维的拉伸强度和模量。因此力学性能良好的碳纤维应具有尽可能少的缺陷和高的类石墨层片取向度。在纺丝全过程中纤维在单轴牵伸应力作用下，PAN分子沿轴向择优取向，然而在预氧化过程中，由于分子热运动会产生解取向，只有在交联和耐热结构形成后，这种取向结构才能够固定下来。因此如何降低预氧化过程中的解取向对提高碳纤维的性能具有重大意义。加入刚性的氧化石墨烯分子，有利于限制PAN分子由于热运动引起的解取向。

刚性分子材料具有良好的热稳定性，在高温下不易发生热变形，如粘土、碳纳米管、石墨烯等。Chae HG等人研究了将碳纳米管加入用海岛纺丝获得的聚丙烯腈纤维碳化后的结构性能，发现当聚丙烯腈纤维的直径为12μm时在同等条件下获得的碳纤维类石墨微晶的择优取向角从37.3°减小到32.9°（按照原文的意思，此取向角是类石墨微晶的层片方向与纤维轴的夹角，因此角度越小，取向度越高），导致碳纤维的拉伸强度从2.0GPa提高到3.2GPa，拉伸模量从302GPa提高到450GPa，而且纤维直径减小时，提高幅度增加（Chae HG,Choi YH,Minus ML,Kumar S.Carbon nanotube reinforced small diameter polyacrylonitrile based carbon fier.Compos Sci Technol.2009;69(3-4):406-13.）。但碳纳米管的应用也具有一定的局限性，首先碳纳米管为二维管状结构，不容易溶入到碳纤维的石墨层片当中，其次碳纳米管的成本比较高，不适合大规模应用。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维层状结构的一种碳质新材料，也是世界上最薄的材料，具有优异的电学、热学和力学性能。石墨烯的特殊结构及性能使得它在微电子、聚合物复合等领域有广泛的应用。与石墨烯相比，氧化石墨烯具有相同的层状结构，但氧化石墨烯的层间及层片边缘含有含氧官能团（羟基、羧基、羰基和环氧基），这些官能团使得氧化石墨烯更容易分散在水及有机溶剂中，而且氧化石墨烯的层间距更大，更有利于其他小分子的插层。因此，在聚合物复合方面应用氧化石墨烯来代替石墨烯。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化石墨烯改性PAN碳纤维原丝的制备方法，该方法工艺简单，成本低，所得氧化石墨烯改性的PAN纤维原丝取向度较PAN纤维原丝高，并且在热稳定化过程中解取向较小。

本发明的一种氧化石墨烯改性PAN纤维原丝的制备方法，包括：

（1）将氧化石墨烯分散在溶剂中，超声分散均匀后，进一步制备含氧化石墨烯的PAN纺丝原液；

（2）将上述纺丝原液经过脱单、脱泡后通过湿法纺丝工艺纺丝，最后经水洗、干燥即得氧化石墨烯改性PAN纤维原丝。

步骤（1）中所述的氧化石墨烯的层片尺寸在0.01-100μm之间。

步骤（1）中所述的溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、硫氰酸钠水溶液、氯化锌水溶液或硝酸。

步骤（1）中所述的制备含氧化石墨烯的PAN纺丝原液的方法为原位聚合法或共混法。

所述的原位聚合法为：将氧化石墨烯分散在溶剂中，超分散均匀后，加入丙烯腈、丙烯酰胺和偶氮二异丁腈，氮气保护下反应形成均匀的纺丝原液。

所述的氧化石墨烯占总单体（丙烯腈与丙烯酰胺之和）的质量百分数为0.01-20wt.%。

所述的氮气保护下反应在50-70℃下反应10-30h。

步骤（2）中所述的湿法纺丝工艺的具体参数为：为了防止氧化石墨烯在纺丝过程中发生团聚，选用螺杆机喷丝头，喷丝孔径为0.08mm；纺丝速度为2.39m/min，纺丝温度为70℃，牵伸比为4.5；凝固浴为浓度为55wt%的二甲基亚砜水溶液，凝固浴温度为40℃。