石墨烯改性复合碳纤维及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯改性复合碳纤维及其制备方法与应用。所述石墨烯改性复合碳纤维的制备方法包括：将功能化石墨烯、碳纤维前驱体及溶剂混合均匀，形成石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液，作为纺丝原液；以所述纺丝原液经纺丝工艺制成石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝；对所述石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝进行预氧化处理，之后在保护性气氛中进行碳化处理，制得石墨烯改性复合碳纤维。本发明专利技术石墨烯改性复合碳纤维的综合性能优异，其中拉伸强度可达7.4GPa、拉伸模量可达980GPa、电导率可达2.1×10

Graphene modified composite carbon fiber and preparation method and application thereof

The invention discloses a graphene modified composite carbon fiber, a preparation method and an application thereof. Including the preparation method of graphene modified carbon fiber composite: functionalized graphene, carbon fiber precursor and solvent are mixed evenly, the formation of graphene modified carbon fiber precursor solution, as spinning solution; the spinning solution by carbon fiber precursor spinning process made graphene modified the; the carbon fiber precursors of the graphene modified by pre oxidation treatment after carbonization in a protective atmosphere, prepared graphene modified carbon fiber composite. The synthetic performance of the graphene modified composite carbon fiber is excellent, wherein the tensile strength can reach 7.4GPa, the tensile modulus can reach 980GPa, and the conductivity can reach 2.1 * 10

【技术实现步骤摘要】
石墨烯改性复合碳纤维及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种碳纤维及其制备工艺，尤其涉及一种高强度、高导热、优异导电性和韧性的复合碳纤维及其制备方法。
技术介绍
碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。按照所采用的原料不同，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维以及其他有机纤维基碳纤维等。碳纤维集高机械强度、高模量、低比重、耐高温、耐化学腐蚀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，在宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、航空以及汽车、机械制造、电子、医疗器械、体育等领域具有广泛的应用前景。近年来，人们对具有特殊功能的新型碳纤维的需求不断增加，尤其是在诸如增强材料、功能服饰、电磁场、军事等领域，一直渴求获得具有高强度、高导电性等性质的碳纤维。然而现有的碳纤维材料均无法同时满足高强度、高导热、优异导电和韧性等要求。另一方面，石墨烯作为一种新型的碳材料，具有力学性能优异(例如极限模量为1.01TPa、极限强度为116GPa)、质量轻、导热性好、比表面积大等特点，且呈现出极好的电子传输性质。基于石墨烯的这些优点，研究人员尝试将其与碳纤维的前驱体(包括沥青、聚丙烯腈等)均匀共混制备复合碳纤维材料，以期改善碳纤维材料的综合性能。但是本案专利技术人通过大量试验发现，市售的石墨烯材料(包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯等)通过简单的搅拌很难与碳纤维的前驱体(包括沥青、聚丙烯腈等)共混均匀，从而限制了石墨烯对于碳纤维的力学、电学、导热等性能的改善与提升。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种石墨烯改性复合碳纤维及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种石墨烯改性复合碳纤维的制备方法，其包括：将功能化石墨烯、碳纤维前驱体及溶剂混合均匀，形成石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液；以所述石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液作为纺丝原液，经纺丝工艺制成石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝；对所述石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝进行预氧化处理，之后在保护性气氛中进行碳化处理，制得石墨烯改性复合碳纤维。进一步的，所述功能化石墨烯表面分布有活性官能团；优选的，所述活性官能团包括磺酸基团、二甲苯磺酸基团或对甲苯磺酸基团等。进一步的，所述功能化石墨烯片径的平均值在50μm以上。进一步的，所述功能化石墨烯的层数在10层以下。进一步的，所述功能化石墨烯在所述溶剂中的分散浓度在10wt％以上。进一步的，所述碳纤维前驱体包括沥青或聚丙烯腈树脂等，且不限于此。进一步的，所述溶剂包括二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的任意一种或多种的组合，且不限于此。本专利技术实施例还提供了一种石墨烯改性复合碳纤维，特别是由前述任一种方法制备的石墨烯改性复合碳纤维。进一步的，所述石墨烯改性复合碳纤维的拉伸强度为4.9～7.4GPa，拉伸模量为503～980GPa，电导率为7.5×104～2.1×106S·m-1，导热系数为3.4～68.7W·m-1·K-1。本专利技术实施例还提供了所述石墨烯改性复合碳纤维的用途，例如在制备增强材料、功能服饰、机械设备、电子设备或电磁设备中的用途。本专利技术提供的石墨烯改性复合碳纤维的综合性能优异，其中拉伸强度可达7.4GPa、拉伸模量可达980GPa、电导率可达2.1×106S·m-1、导热系数可达68.7W·m-1·K-1，较之现有的碳纤维材料有显著提升，在航天、机械、电子、医疗、体育等领域均具有广泛的应用前景，同时本专利技术提供的石墨烯改性复合碳纤维的制备工艺简单，可控性好，适于规模化生产。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，如下将予以详细说明。本专利技术实施例的一个方面提供的一种石墨烯改性复合碳纤维的制备方法包括：将功能化石墨烯、碳纤维前驱体及溶剂混合均匀，形成石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液；以所述石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液作为纺丝原液，经纺丝工艺制成石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝；对所述石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝进行预氧化处理，之后在保护性气氛中进行碳化处理，制得石墨烯改性复合碳纤维。在一些实施方案中，所述的制备方法还可包括：将功能化石墨烯粉末分散于溶剂中，形成石墨烯分散液；将碳纤维前驱体分散于溶剂中，形成碳纤维前驱体溶液；将所述石墨烯分散液与所述碳纤维前驱体溶液共混均匀，形成所述石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液。其中，为使功能化石墨烯粉末于溶剂中均匀分散而获得均匀稳定的石墨烯分散液，可以在分散过程中辅以超声、快速搅拌等操作，尤其优选在分散过程中伴以超声处理。其中，为使碳纤维前驱体可以于溶剂中充分溶解和/或均匀分散，还可在将两者混合的过程中伴以加热及持续搅拌或超声处理等操作，进而获得均匀的碳纤维前驱体溶液。例如，在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法可以包括：将碳纤维前驱体分散于溶剂中，并将形成的混合物加热至30℃～180℃(优选为90℃～110℃)且持续搅拌，制得所述碳纤维前驱体溶液。在一些较佳实施例中，前述预氧化处理的温度为200℃～280℃(优选为240℃～260℃)，时间为30min～90min(优选为55min～65min)。进一步的，前述预氧化处理是在含氧气氛中进行，优选在空气中进行。在一些较佳实施例中，前述保护性气氛可以选自惰性气氛，例如氮气和/或氦气气氛等，且不限于此。在一些较佳实施例中，前述碳化处理的温度为800℃～1200℃(优选为1000℃～1100℃)，时间为30min～90min(优选为70min～80min)。在一些较佳实施例中，前述石墨烯改性的碳纤维前驱液所含功能化石墨烯与碳纤维前驱体的质量比为0.1～5：100，优选为0.5～2：100。在此质量比例下，功能化石墨烯能均于混合体系中均匀分散，并与碳纤维前驱体良好混溶。在一些较佳实施例中，前述石墨烯改性的碳纤维前驱体液所含碳纤维前驱体的浓度为10wt％～25wt％，优选为18wt％～22wt％。在此浓度范围下，所述石墨烯改性的碳纤维前驱体液具有合适的粘度和强度，利于通过纺丝设备形成均一的连续丝束。进一步的，前述功能化石墨烯表面分布有活性官能团，例如可以优选自磺酸基团、二甲苯磺酸基团或对甲苯磺酸基团等。进一步的，前述活性官能团与碳六环的数量之比为1:1～1:5，尤其优选为1:1～1:3。进一步的，所述功能化石墨烯片径的平均值在50μm以上，优选为50μm～100μm。进一步的，所述功能化石墨烯的层数在10层以下，优选为1层～2层。进一步的，所述功能化石墨烯在所述溶剂中的分散浓度在10wt％以上。进一步的，前述功能化石墨烯亦可被称为大片径功能化石墨烯，其极易在溶剂，特别是有机溶剂中均匀分散，进而利于其在与其它材料复合时，于复合体系内均匀分散，使得石墨烯的导电性和力学性能得以充分体现，这可能是使复合碳纤维的综合性能明显提高的原因之一。进一步的，前述碳纤维前驱体包括沥青或聚丙烯腈树脂等，且不限于此。进一步的，所述溶剂可选自有机溶剂，例如二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。进一步的，前述纺丝工艺包括湿法纺丝工艺或干喷湿纺工艺等，且不限于此。而相关的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯改性复合碳纤维的制备方法，其特征在于包括：将功能化石墨烯、碳纤维前驱体及溶剂混合均匀，形成石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液；以所述石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液作为纺丝原液，经纺丝工艺制成石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝；对所述石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝进行预氧化处理，之后在保护性气氛中进行碳化处理，制得石墨烯改性复合碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯改性复合碳纤维的制备方法，其特征在于包括：将功能化石墨烯、碳纤维前驱体及溶剂混合均匀，形成石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液；以所述石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液作为纺丝原液，经纺丝工艺制成石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝；对所述石墨烯改性的碳纤维前驱体原丝进行预氧化处理，之后在保护性气氛中进行碳化处理，制得石墨烯改性复合碳纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：将功能化石墨烯粉末分散于溶剂中，形成石墨烯分散液；将碳纤维前驱体分散于溶剂中，形成碳纤维前驱体溶液；将所述石墨烯分散液与所述碳纤维前驱体溶液共混均匀，形成所述石墨烯改性的碳纤维前驱体溶液。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：将碳纤维前驱体分散于溶剂中，并将形成的混合物加热至30℃～180℃(优选为90℃～110℃)且持续搅拌，制得所述碳纤维前驱体溶液。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述预氧化处理的温度为200℃～280℃(优选为240℃～260℃)，时间为30min～90min(优选为55min～65min)；所述预氧化处理是在含氧气氛中进行，优选在空气中进行。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述保护性气氛包括氮气和/或氦气气氛；和/或，所述碳化处理的温度为800℃～1200℃(优选为1000℃～1100℃)，时间为30min～90min(优选为70min～80min)。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述石墨烯改性的碳纤维前驱液所含功能化石墨烯与碳纤维前驱体的质量比为0.1～5：...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋永华，栗建民，刘旭博，相喜，高俊强，
申请(专利权)人：苏州高通新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32