[发明专利]一种石墨烯玻璃纤维的制备方法、石墨烯玻璃纤维及其应用

说明书

为克服现有石墨烯玻璃纤维制备方法中工艺复杂、安全系数不高、成品导电性、力学强度不佳的问题，从而提供一种石墨烯玻璃纤维的制备方法。包括：S1：将碳源覆在玻璃纤维的表面；S2：将覆有碳源的玻璃纤维置于反应室，保护气氛下加热使碳源碳化、石墨烯化，即可得到所述石墨烯玻璃纤维；所述碳源包括聚酰亚胺溶液、聚丙烯腈溶液、聚甲基丙烯酸甲酯溶液中的至少一种。本发明的制备方法工艺简单安全，适合大规模工业化生产，采用易成碳高分子作为碳源，改善成品石墨烯层结构，进一步提高石墨烯玻璃纤维的导电性与力学强度。

技术领域

本发明涉及玻璃纤维复合材料制备领域，具体涉及一种石墨烯玻璃纤维的制备方法、石墨烯玻璃纤维及其应用。

背景技术

玻璃纤维是一种具有优异耐热性、耐腐蚀性的无机非金属材料，其广泛应用于交通、新能源、建筑等领域。质轻高强、低廉的优点使得玻璃纤维在很多方面逐渐替代了传统金属材料，但是玻璃纤维的热导率以及电导率却远远不及金属材料，这就使得玻璃纤维在某些对材料导热、导电性能有一定要求的部位失去了优势。

石墨烯作为一种性能优异的二维材料，具有电阻率低，导热系数高，力学性能优异等特点。因此石墨烯和玻璃纤维的结合产生了一种新型的石墨烯玻璃纤维复合材料，通过采用相应的技术在玻璃纤维表面覆上石墨烯层，其导热性能将大大提高，从而具有更加广阔的应用范围，石墨烯玻璃纤维由此应运而生。

现有技术中，石墨烯玻璃纤维的制备方法通常包括以下三种：

1.表面改性法：通过化学试剂对石墨烯表面进行改性，使其表现出修饰基团的反应活性，再通过共价和非共价成键方式与玻璃纤维反应或结合，该方法存在的缺点是化学试剂改性时会对石墨烯片结构具有一定破坏，残留化学试剂移除困难，制备成本高。

2.电泳沉积法：利用氧化石墨烯在溶液中的电特性，在电场作用下与玻璃纤维自动复合在一起，但是该方式制备的石墨烯与玻璃纤维之间结合力较弱。

3.化学气相沉积法：以甲烷等作为气态碳源高温碳化成石墨烯沉积在玻璃纤维表面，该方法对设备条件要求高、制备过程复杂，甲烷等易燃气体，安全隐患高。

鉴于此，如何解决上述石墨烯玻璃纤维制备工艺复杂、安全系数不高以及石墨烯玻璃纤维导电、导热、力学性能不佳的问题成为本领域目前的研究重点。

发明内容

本发明所解决的技术问题是针对现有石墨烯玻璃纤维制备方法中工艺复杂、安全系数不高、成品导电性、力学强度不佳的问题，从而提供一种高效高质、简单、安全、适用大规模工业化生产的石墨烯玻璃纤维的制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一方面，本发明提供了一种石墨烯玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1：将碳源覆在玻璃纤维的表面；

S2：将覆有碳源的玻璃纤维置于反应室，保护气氛下加热使碳源碳化、石墨烯化，即可得到所述石墨烯玻璃纤维；

所述碳源包括聚酰亚胺溶液、聚丙烯腈溶液、聚甲基丙烯酸甲酯溶液中的至少一种。

可选的，所述碳源的溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、甲苯、二甲苯、N-甲基吡咯烷酮、二价酸酯中的至少一种，所述碳源的浓度为0.01～5wt.％。

可选的，所述步骤S1之前还包括：对玻璃纤维进行表面改性，进一步的，所述“对玻璃纤维进行表面改性”包括：用酸溶液或者碱溶液或者氧等离子体处理玻璃纤维。

可选的，所述反应室的压力为0.01～100kpa；

所述反应室的温度为400～800℃；

所述碳化时间为0.1～5h。

可选的，所述保护气氛选自氩气、氮气、氢气中的至少一种。