[发明专利]一种复合型石墨烯纳米带碳纤维、制备方法及其应用

说明书

本发明通过一种复合型石墨烯纳米带碳纤维、制备方法及其应用，属于碳纳米材料制备技术领域。制备方法包含以下步骤：首先将氧化石墨烯纳米带及聚丙烯腈溶于溶剂中，制备纺丝原液，湿法纺丝，然后将纤维进行预氧化及高温碳化，即可得到石墨烯纳米带复合型碳纤维。本方法操作简便，可以通过调控石墨烯纳米带掺入量调控纤维结构及其性能，复合型碳纤维具有良好的力学性能及导电性，可以用于柔性储能设备的领域中。本发明制备的碳纤维能作为柔性超级电容器的电极材料。

技术领域

本发明涉及一种复合型石墨烯纳米带碳纤维、制备方法及其应用，属于碳纳米材料制备技术领域。

背景技术

随着超级电容器和新型便携储能设备的不断发展，各种新型的电子设备层出不穷，出现了如折叠手机、电子皮肤、植入式医疗器件、便携式穿戴多功能电子织物等。为了给柔性电子产品提供能量，柔性储能设备的发展越来越重要。柔性超级电容器作为最重要的储能设备之一，具有机械柔性好、功率密度高、循环寿命长等优点，具有广泛的应用前景。然而，由于自身存在能量密度低、电压窗口小，机械柔韧性差等问题，其在柔性电子领域中的大规模应用受到了一定的限制。而柔性超级电容器的能量密度和机械柔韧性主要由柔性电极来决定，因此，高性能柔性电极的设计和开发至关重要。

石墨烯纳米带作为石墨烯的衍生材料之一，既可以看作是条带状小尺寸的石墨烯，也可以看作是纵向切割碳纳米管的产物，是一种新型的准一维碳纳米材料。石墨烯纳米带一方面同时具有碳纳米管与石墨烯的优异性能，另一方面石墨烯纳米带独特的结构特征还为其带来了一系列的特殊性质，如边缘限域效应等，因此，石墨烯纳米带是一种极具应用潜力的新型纳米材料。将石墨烯纳米带引入聚合物或碳材料形成复合体系，可以提高材料的机械强度和电化学性能。例如，由于石墨烯纳米带具有高度结晶的平面结构，这为与聚合物基质的π-π堆叠提供了较大的面积，因此能够实现与聚合物基质的良好集成。此外，氧化石墨烯纳米带基面和边缘上的羧基和羟基官能团可以作为聚合物之间的接点，增强机械强度。

传统的湿法纺丝制备的石墨烯纳米带纤维所采用的凝固浴为氯磺酸(GrapheneNanoribbons as an Advanced Precursor for Making Carbon Fiber.C.Xiang,N.Behabtu,Y.Liu,H.G.Chae,C.C.Young,B.Genorio,et al..ACS Nano 2013Vol.7Issue2Pages 1628-1637)，具有高氧化性和易燃易爆的特点，因此制备过程含有安全隐患，其次，纯石墨烯纳米带纤维由于较低的结合力，所制备的纤维力学性能低于碳纤维，因此，采用石墨烯纳米带材料作为纳米填料增强碳纤维的方法更具有意义。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种复合型石墨烯纳米带碳纤维、制备方法及其应用，采用湿法纺丝，制备方法简便、绿色环保，制备的纤维具有较高的力学性能和电化学性能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合型石墨烯纳米带碳纤维的制备方法，该方法首先使用湿法纺丝获得氧化石墨烯纳米带与聚丙烯腈复合型初生纤维，然后对初生纤维进行预氧化和碳化两个步骤制备得到复合型石墨烯纳米带碳纤维。包括以下步骤：

(1)石墨烯纳米带材料的制备是采用对碳纳米管开壁制备的：