一种石墨烯/碳复合微纳米纤维及其制备方法技术

本发明专利技术系一种石墨烯‑碳复合微纳米纤维及其制备方法，属于碳纤维材料技术领域。主要包括如下步骤：(1)配制纺丝溶液。将一定量的氧化石墨烯(GO)溶解于N,N二甲基甲酰胺(DMF)中。将一定量的聚丙烯腈粉末加入GO/DMF溶液中，磁力搅拌待PAN完全溶解配制成纺丝溶液。(2)离心纺丝。将纺丝溶液至于离心容器中，调节转速进行离心纺丝。将收集到的PAN/GO纤维置于60℃的干燥箱中烘干30min。(3)预氧化和碳化。将PAN/GO纤维置于管式炉中空气气氛下进行预氧化，280℃保温3h。之后在氮气气氛下进行高温碳化。碳化温度900℃，保温2h。持续通入氮气冷却至室温，得到石墨烯‑碳复合微纳米纤维。该纤维具有比表面积大、比电容高、产量大、成本低等优点。

A Graphene/Carbon Composite Micro-nanofibers and Its Preparation Method

The invention relates to a graphene carbon composite micro-nanofibers and a preparation method thereof, belonging to the technical field of carbon fiber materials. The main steps are as follows: (1) Preparing spinning solution. A certain amount of graphene oxide (GO) was dissolved in N, N dimethylformamide (DMF). A certain amount of polyacrylonitrile powder was added into GO/DMF solution, and the spinning solution was prepared by magnetic stirring until PAN was completely dissolved. (2) Centrifugal spinning. The spinning solution is put into the centrifugal container and the spinning speed is adjusted for centrifugal spinning. The collected PAN/GO fibers were dried in a drying oven at 60 C for 30 minutes. (3) Preoxidation and carbonization. The PAN/GO fibers were pre-oxidized in air atmosphere in a tubular furnace and kept at 280 C for 3 hours. High temperature carbonization was then carried out in nitrogen atmosphere. The carbonization temperature is 900 C and the heat preservation time is 2 h. The graphene-carbon composite micro-nanofibers were prepared by continuous cooling with nitrogen to room temperature. The fiber has the advantages of large specific surface area, high specific capacitance, high output and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/碳复合微纳米纤维及其制备方法
本专利技术提供一种石墨烯/碳复合微纳米纤维及其制备方法，属于碳纤维材料

技术介绍
炭纤维(CarbonFiber，CF)是一种含碳量在90wt％以上的高性能无机纤维材料。炭纤维的材料性能涵盖了广泛的热物理性能，具备高比强度和比模量、密度低、高热导、热膨胀系数小、耐磨、耐化学腐蚀、耐疲劳、低电阻等优异的物化性能，可以根据所需的应用进行改性定制，从而获得更多优质丰富的材料性能。聚丙烯腈(PAN)是一种众所周知的聚合物，具有良好的稳定性和机械性能。PAN纳米纤维可能被应用于组织工程、传感、复合材料、电池分离器和制备碳纳米纤维的前驱体等多个领域。在各种应用中，PAN纳米纤维的最重要的作用是制备碳纳米纤维的前驱体，因为它具有高的碳产率和用于调整所得碳纳米纤维结构的可塑性。一些研究表明，通过离心纺丝方法制备了微/纳米纤维，如聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚已酸内酯。Ravandi和他的同事提出了一种电离心纺丝系统，该系统合成了质量、细度和产率都有所提高的纳米纤维。同时，随着社会经济的发展，传统能源消耗巨大，发展清洁高效的新型能源迫在眉睫。作为环境友好型高性能储能系统，电化学超级电容器比普通电容器具有更高的能量密度、功率密度和更长的循环寿命。是一种发展迅速的新型能源器件。以提高能量密度为目标，使其接近甚至超过电池的密度，降低制造成本是当下的研究趋势。世界各国的科研人员在离心纺丝领域进行了大量深入的研究工作，制备PAN基碳纳米纤维、调整多孔结构、使用添加剂掺杂和对碳纳米纤维进行复合改性等，以此来提高比电容、力学强度、吸附性等物理化学性能，从而使纤维材料更加满足超级电容器的需求。氧化石墨烯结构与石墨烯相仿，都具有由单层碳原子紧密堆积的二维层状结构，但氧化石墨烯的层间及片层边缘含有大量活性的含氧官能团，使氧化石墨烯在水及有机溶剂中的分散性更好；同时氧化石墨烯在高温碳化时发生热还原，生成具有高比表面积和高导电性的石墨烯，大幅度提高碳化纤维的比表面积和电导率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯-碳复合微纳米纤维及其制备方法，具体是一种成本低、比电容高的以聚丙烯腈为前躯体，氧化石墨烯为添加剂的复合碳纤维的制备方法。其中制备石墨烯-碳复合微纳米纤维所用的前驱体是聚丙烯腈，质量分数为12wt％。其中制备石墨烯-碳复合微纳米纤维所用的生产技术是离心纺丝技术。其中制备石墨烯-碳复合微纳米纤维所用的添加剂是氧化石墨烯，质量分数为2.0wt％。其中制备石墨烯-碳复合微纳米纤维预氧化处理温度为280℃，碳化温度为900℃。本专利技术一种石墨烯-碳复合微纳米纤维及其制备方法，其优点及功效在于该材料比电容较高、生产效率高、稳定性好和成本低。附图说明图1离心纺丝纤维出丝情况(GO添加量分别为0(a),1.0wt％(b),1.5wt％(c),2.0wt％(d))图2预氧化前及碳化后纤维的宏观照片((a)(c)预氧化之前；(b)(d)高温碳化之后)图3石墨烯-碳复合微纳米纤维的SEM照片(氧化石墨烯含量为2.0wt％，低放大倍数下(a)、高放大倍数下(b))图4石墨烯-碳复合微纳米纤维XRD图谱图5石墨烯-碳复合微纳米纤维红外光谱曲线图6石墨烯-碳复合微纳米纤维的电化学性能((a)循环伏安曲线；(b)恒流充放电曲线)具体实施方式下面结合实例对本专利技术的特点做进一步描述，但并非仅仅局限于下述实施例。实施例一：首先用滴管量取8.8g的N,N二甲基甲酰胺(DMF)溶液(密度为0.945～0.950g/mL)加入容量为15ml的玻璃试剂瓶中，用分析天平称量0.2g的氧化石墨烯(GO)溶解于DMF溶液中，超声振荡lh；待DMF/GO完全分散后，再称量12wt％聚丙烯腈(PAN)粉末缓慢加入到上述混合溶液中，放入磁力转子并置于磁力搅拌器上开始搅拌，并将玻璃瓶盖拧紧，以防搅拌过程中渗漏。磁力搅拌器台面温度为50℃，磁力搅拌24h，PAN完全溶解后配成纺丝溶液。将纺丝溶液缓慢注入离心纺丝容器中，调节纺丝参数，时刻观察出丝情况进行离心纺丝。将离心纺丝收集的氧化石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维置于玻璃皿中在60℃的干燥箱中烘干30min。将纤维置于管式炉在空气中进行预氧化，以1℃·min-1的升温速率从25℃升至280℃并恒温预氧化3h，除去有机溶剂。将预氧化处理的纤维放在瓷舟中，置于真空管式炉内，在氮气的保护下进行高温碳化处理。待30min将管内的气体基本排除干净后，以5℃/min的速率从室温升温至600℃，再以3℃/min的速率升温至指定碳化温度900℃，并保温2h进行碳化，最后持续通入氮气冷却至室温，得到碳纳米纤维。对这种复合碳纳米纤维进行电化学性能测试：材料的比电容为45.38F/g。实施例二：首先用滴管量取8.6g的N,N二甲基甲酰胺(DMF)溶液(密度为0.945～0.950g/mL)加入容量为15ml的玻璃试剂瓶中，用分析天平称量0.2g的氧化石墨烯(GO)溶解于DMF溶液中，超声振荡lh；待DMF/GO完全分散后，再称量12wt％聚丙烯腈(PAN)粉末缓慢加入到上述混合溶液中，放入磁力转子并置于磁力搅拌器上开始搅拌，并将玻璃瓶盖拧紧，以防搅拌过程中渗漏。磁力搅拌器台面温度为50℃，磁力搅拌24h，PAN完全溶解后配成纺丝溶液。将纺丝溶液缓慢注入离心纺丝容器中，调节纺丝参数，时刻观察出丝情况进行离心纺丝。将离心纺丝收集的氧化石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维置于玻璃皿中在60℃的干燥箱中烘干30min。将纤维置于管式炉在空气中进行预氧化，以1℃·min-1的升温速率从25℃升至280℃并恒温预氧化3h，除去有机溶剂。将预氧化处理的纤维放在瓷舟中，置于真空管式炉内，在氮气的保护下进行高温碳化处理。待30min将管内的气体基本排除干净后，以5℃/min的速率从室温升温至600℃，再以3℃/min的速率升温至指定碳化温度900℃，并保温2h进行碳化，最后持续通入氮气冷却至室温，得到碳纳米纤维。对这种复合碳纳米纤维进行电化学性能测试：材料的比电容为235.22F/g。实施例三：首先用滴管量取8.6g的N,N二甲基甲酰胺(DMF)溶液(密度为0.945～0.950g/mL)加入容量为15ml的玻璃试剂瓶中，用分析天平称量0.2g的氧化石墨烯(GO)溶解于DMF溶液中，超声振荡lh；待DMF/GO完全分散后，再称量12wt％聚丙烯腈(PAN)粉末缓慢加入到上述混合溶液中，放入磁力转子并置于磁力搅拌器上开始搅拌，并将玻璃瓶盖拧紧，以防搅拌过程中渗漏。磁力搅拌器台面温度为50℃，磁力搅拌24h，PAN完全溶解后配成纺丝溶液。将纺丝溶液缓慢注入离心纺丝容器中，调节纺丝参数，时刻观察出丝情况进行离心纺丝。将离心纺丝收集的氧化石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维置于玻璃皿中在60℃的干燥箱中烘干30min。将纤维置于管式炉在空气中进行预氧化，以1℃·min-1的升温速率从25℃升至280℃并恒温预氧化3h，除去有机溶剂。将预氧化处理的纤维放在瓷舟中，置于真空管式炉内，在氮气的保护下进行高温碳化处理。待30min将管内的气体基本排除干净后，以5℃/min的速率从室温升温至600℃，再以3℃/min的速率升温至指定碳化温度700℃，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯‑碳复合微纳米纤维及其制备方法，其特征在于：该方法包括如下几个步骤：(1)纺丝溶液的制备首先，用滴管量取不同质量的DMF溶液加入容量为15ml的玻璃试剂瓶中，用分析天平称量2.0wt％的GO溶解于DMF溶液中，超声振荡lh；待DMF/GO完全分散后，再称量12wt％聚丙烯腈(PAN)粉末缓慢加入到上述混合溶液中，置于磁力搅拌器上开始搅拌。磁力搅拌器台面温度为50℃，磁力搅拌24h，PAN完全溶解后配成纺丝溶液。(2)离心纺丝将搅拌好的纺丝液超声震荡30min，将纺丝溶液缓慢注入离心纺丝容器中，调节纺丝参数进行离心纺丝。将上述离心纺丝收集的形貌和结构良好的GO/PAN维纳米纤维置于玻璃皿中在60℃的干燥箱中烘干30min。(3)纤维的预氧化处理将纺丝得到的GO/PAN微纳米纤维置于管式炉在空气气氛中进行预氧化，以1℃·min‑1的升温速率从25℃升至280℃并恒温预氧化3h，除去有机溶剂，预氧化完成后，GO/PAN微纳米纤维颜色变成了黑色。(4)纤维的碳化处理将预氧化处理的纤维放在瓷舟中，置于真空管式炉内，在氮气的保护下进行高温碳化处理。待30min将管内的气体基本排除干净后，以5℃/min的速率从室温升温至600℃，再以3℃/min的速率升温至900℃，并保温2h进行碳化，最后持续通入氮气冷却至室温，得到碳纳米纤维。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-碳复合微纳米纤维及其制备方法，其特征在于：该方法包括如下几个步骤：(1)纺丝溶液的制备首先，用滴管量取不同质量的DMF溶液加入容量为15ml的玻璃试剂瓶中，用分析天平称量2.0wt％的GO溶解于DMF溶液中，超声振荡lh；待DMF/GO完全分散后，再称量12wt％聚丙烯腈(PAN)粉末缓慢加入到上述混合溶液中，置于磁力搅拌器上开始搅拌。磁力搅拌器台面温度为50℃，磁力搅拌24h，PAN完全溶解后配成纺丝溶液。(2)离心纺丝将搅拌好的纺丝液超声震荡30min，将纺丝溶液缓慢注入离心纺丝容器中，调节纺丝参数进行离心纺丝。将上述离心纺丝收集的形貌和结构良好的GO/PAN维纳米纤维置于玻璃皿中在60℃的干燥箱中烘干30min。(3)纤维的预氧化处理将纺丝得到的GO/PAN微纳米纤维置于管式炉在空气气氛中进行预氧化，以1℃·min-1的升温速率从25℃升至280℃并恒温预氧化3h，除去有机溶剂，预氧化完成后，GO/PAN微纳米纤维颜色变成了黑色。(4)纤维的碳化处理将预氧化处理的纤维放在瓷舟中，置于真空管式炉内，在氮气的保护下...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小文，张培云，赵航，黄朝晖，刘艳改，房明浩，闵鑫，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11