一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维及其制备方法，步骤至少包括：(a)将聚酰亚胺薄膜进行预处理；(b)将石墨烯负载到预处理后的聚酰亚胺薄膜上；(c)通过卷曲热拉伸的方法，得到石墨烯/聚合物复合纤维。本发明专利技术通过将1

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维，属于高分子复合纤维


技术介绍

[0002]石墨烯是已知最强性能的材料之一，有高达1.1TPa的杨氏模量，约是钢铁的20倍，石墨烯有130GPa的极限拉伸强度，具有超强的力学性能。理论比表面积高达2630m2/g。正因为有这些极其出众的性能，加上独特的二维片层结构，石墨烯被认为是聚合物改性领域最有应用前景的增强相，但石墨烯由于在范德华力以及表面电荷作用下易于团聚，在聚合物复合体系基质中分散性差。且聚合物基质本身活性差，结合性也较弱，石墨烯在基质中难以均匀分散，这影响了石墨烯对于复合材料的力学增强效果。
[0003]石墨烯与聚酰亚胺基质的复合分散方法主要有以下两种：溶液共混法以及原位聚合法。
[0004]溶液共混法是将石墨烯均匀分散在制备可溶性聚酰亚胺纤维的纺丝液中，通过超声震荡或机械搅拌的方式共混，使两部分混合均匀后再进行纺丝制得复合纤维。溶液共混法中石墨烯容易出现团聚现象，难以通过搅拌或超声的处理达到均匀分散的程度。同时得选用可溶性聚酰亚胺，原料选择限制多。在后续的纺丝过程中需要除去溶剂，这会导致在纤维中产生空隙和溶剂残留，严重影响到纤维的力学性能，目前很少采用这种方法制备高性能石墨烯/聚酰亚胺复合纤维。
[0005]原位聚合法是将石墨烯与聚酰亚胺单体进行混合，在一定条件下发生聚合反应，得到相应的纺丝液，再进行纺丝制得复合纤维。使用原位聚合法将石墨烯与聚酰亚胺基质结合，需要寻找一种既能溶解聚酰亚胺原料，又能使石墨烯在其中分散的溶剂，会对生产过程产生限制。同时高比例石墨烯的加入会增加纺丝液的粘度，一方面使得聚酰亚胺反应变得更加复杂，另一方面影响石墨烯的分散。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维及其制备方法，先将石墨烯负载到聚酰亚胺薄膜上，再制备石墨烯/聚酰亚胺复合纤维，过程方便，石墨烯分散均匀，制备工艺要求低，石墨烯添加比例宽泛。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法，包括如下步骤：
[0009]a.对聚酰亚胺薄膜进行预处理：
[0010]采用室温浸泡碱性溶液处理方法和等离子束流表面照射方法中的至少一种，使聚酰亚胺水解开环处理，得到预处理后的聚酰亚胺薄膜；当采用室温浸泡碱性溶液处理方法后，将聚酰亚胺薄膜清洗至水呈中性，取出展平，干燥；
[0011]b.制备负载石墨烯的聚酰亚胺薄膜：
[0012]将石墨烯溶液通过负载方法负载到预处理后的聚酰亚胺薄膜上，得到负载石墨烯的聚酰亚胺薄膜；
[0013]c.制备石墨烯/聚酰亚胺复合纤维：
[0014]通过加捻热拉伸的方法，得到石墨烯/聚酰亚胺复合纤维。
[0015]优选地，在所述步骤a中，所述聚酰亚胺薄膜是采用流延法得到的聚酰亚胺薄膜、采用静电纺丝方法得到的聚酰亚胺纳米纤维薄膜中的至少一种。进一步优先选用静电纺丝方法得到的聚酰亚胺纳米纤维薄膜。
[0016]优选地，在所述步骤a中，所述的预处理是将薄膜室温浸泡在碱性溶液中处理5
‑
120min和进行等离子束流表面照射薄膜3
‑
20min中的至少一种。进一步优选地，采用氨水处理时间30
‑
120min，采用氢氧化钠溶液处理时间15
‑
120min。进一步优选地，离子束流表面照射薄膜处理时间11
‑
20min。
[0017]优选地，所述碱性溶液采用质量百分比浓度不低于25％的氨水溶液、质量百分比浓度不低于5％氢氧化钠溶液中的至少一种。更优选采用质量百分比浓度不低于25％的氨水溶液。
[0018]优选地，在所述步骤a中，预处理采用将薄膜室温浸泡在碱性溶液中处理5
‑
120min后，在去离子水中清洗至水呈中性，取出展平，放入烘箱不低于100℃烘干至少12h。
[0019]优选地，在所述步骤b中，所述的石墨烯溶液的石墨烯选用1
‑
10层通过ABA(Brenel)堆叠方式的含有氨基官能团的石墨烯和含有羧基官能团的石墨烯中的至少一种。进一步优选地，选用1
‑
10层通过ABA(Brenel)堆叠方式的含有氨基官能团的石墨烯。
[0020]优选地，石墨烯溶液的溶剂采用邻二甲苯、N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)中的至少一种。进一步优选地采用邻二甲苯。
[0021]优选地，在所述步骤b中，所述的负载方法采用浸泡、喷涂、旋涂的方法中的至少一种，将石墨烯负载到预处理后的聚酰亚胺薄膜上。进一步优选地，采用浸泡的方式。
[0022]优选地，在所述步骤b中，将石墨烯溶液经过超声处理15
‑
45min，然后将石墨烯溶液通过负载方法负载到预处理后的聚酰亚胺薄膜上。
[0023]优选地，在所述步骤b中，所述的石墨烯溶液负载通过控制石墨烯溶液中石墨烯的质量分数0.05
‑
0.1wt％来控制负载石墨烯的比例。
[0024]优选地，在所述步骤c中，所述加捻热拉伸的方法如下：
[0025]c
‑
1.将负载石墨烯的聚酰亚胺薄膜一端固定，另一端卷起拉直后放入管式炉中；
[0026]c
‑
2.依据升温曲线升高温度至负载石墨烯的聚酰亚胺薄膜的拉伸温度；在拉伸温度进行加捻牵伸，拉伸到负载石墨烯的聚酰亚胺薄膜原始长度的2
‑
5倍后直接取出得到石墨烯/聚酰亚胺复合纤维。
[0027]进一步优选地，在所述步骤c
‑
2中，所述升温曲线为：室温升高至不低于190℃，保温至少20min；再升高至不低于230℃，保温至少20min；最后升温至负载石墨烯的聚酰亚胺薄膜的拉伸温度，控制各升温阶段的升温速度均为3
‑
10℃/min。进一步优选地，升温速度为5
‑
10℃/min。
[0028]进一步优选地，在所述步骤c
‑
2中，所述拉伸温度为330
‑
410℃。进一步优选地，选用拉伸温度为350
‑
390℃。
[0029]进一步优选地，在所述步骤c
‑
2中，所述加捻牵伸的速率比为加捻1圈，牵伸1.5cm；
牵伸速率为0.25
‑
1.5cm/min。进一步优选地，选用牵伸速率0.3
‑
1.3cm/min。
[0030]进一步优选地，在所述步骤c
‑
2中，拉伸到负载石墨烯的聚酰亚胺薄膜原始长度的2
‑
4倍后直接取出得到石墨烯/聚酰亚胺复合纤维。
[0031]一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.对聚酰亚胺薄膜进行预处理：采用室温浸泡碱性溶液处理方法和等离子束流表面照射方法中的至少一种，使聚酰亚胺水解开环处理，得到预处理后的聚酰亚胺薄膜；当采用室温浸泡碱性溶液处理方法后，将聚酰亚胺薄膜清洗至水呈中性，取出展平，干燥；b.制备负载石墨烯的聚酰亚胺薄膜：将石墨烯溶液通过负载方法负载到预处理后的聚酰亚胺薄膜上，得到负载石墨烯的聚酰亚胺薄膜；c.制备石墨烯/聚酰亚胺复合纤维：通过加捻热拉伸的方法，得到石墨烯/聚酰亚胺复合纤维。2.根据权利要求1所述石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述聚酰亚胺薄膜是采用流延法得到的聚酰亚胺薄膜、采用静电纺丝方法得到的聚酰亚胺纳米纤维薄膜中的至少一种。3.根据权利要求1所述石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述的预处理是将薄膜室温浸泡在碱性溶液中处理5
‑
120min和进行等离子束流表面照射薄膜3
‑
20min中的至少一种；所述碱性溶液采用质量百分比浓度不低于25％的氨水溶液、质量百分比浓度不低于5％氢氧化钠溶液中的至少一种。4.根据权利要求1所述石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述的石墨烯溶液的石墨烯选用1
‑
10层通过ABA(Brenel)堆叠方式的含有氨基官能团的石墨烯和含有羧基官能团的石墨烯中的至少一种；石墨烯溶液的溶剂采用邻二甲苯、N
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甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)中的至少一种。5.根据权利要求1所述石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周忠福，陈绍东，丁辉，李光石，鲁雄刚，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：