CN102704027B - 一种氧化石墨烯改性pan碳纤维原丝的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化石墨烯改性PAN纤维原丝的制备方法，包括：将氧化石墨烯分散在溶剂中，超声分散均匀后，进一步制备含氧化石墨烯的PAN纺丝原液；将上述纺丝原液经过脱单、脱泡后通过湿法纺丝工艺纺丝，最后经水洗、干燥即得氧化石墨烯改性PAN纤维原丝。本发明工艺简单，成本低，适合于工业化生产，所得氧化石墨烯改性的PAN纤维原丝具有取向度高、强度高以及在热稳定化过程中不易发生解取向的特点。
Description
技术领域
本发明属于改性PAN纤维原丝的制备领域，特别涉及一种氧化石墨烯改性PAN碳纤维原丝的制备方法。
背景技术
碳纤维具有质量轻，耐高温，力学性能好等特点，在航空、航天、汽车、运动等许多高新技术领域获得了广泛的应用。生产碳纤维的前驱体主要有粘胶、聚丙烯腈（PAN）和沥青等有机纤维。采用PAN纤维制备碳纤维，生产工艺较其他方法简单，产品的综合性能良好，因此得到迅速发展。碳纤维的性能好坏关键在于原丝的质量：原丝中PAN分子的轴向取向和缺陷。原丝的内部缺陷在碳化后会几乎形状不变地保留在碳纤维中，原丝的结构、性能对预氧化、碳化中新的缺陷的产生也有决定性的影响，这些缺陷将导致碳纤维的力学性能特别是强度下降；取向度则很大程度上决定了碳化过程中形成的类石墨层片的取向，取向度的提高有利于提高碳纤维的拉伸强度和模量。因此力学性能良好的碳纤维应具有尽可能少的缺陷和高的类石墨层片取向度。在纺丝全过程中纤维在单轴牵伸应力作用下，PAN分子沿轴向择优取向，然而在预氧化过程中，由于分子热运动会产生解取向，只有在交联和耐热结构形成后，这种取向结构才能够固定下来。因此如何降低预氧化过程中的解取向对提高碳纤维的性能具有重大意义。加入刚性的氧化石墨烯分子，有利于限制PAN分子由于热运动引起的解取向。
刚性分子材料具有良好的热稳定性，在高温下不易发生热变形，如粘土、碳纳米管、石墨烯等。Chae HG等人研究了将碳纳米管加入用海岛纺丝获得的聚丙烯腈纤维碳化后的结构性能，发现当聚丙烯腈纤维的直径为12μm时在同等条件下获得的碳纤维类石墨微晶的择优取向角从37.3°减小到32.9°（按照原文的意思，此取向角是类石墨微晶的层片方向与纤维轴的夹角，因此角度越小，取向度越高），导致碳纤维的拉伸强度从2.0GPa提高到3.2GPa，拉伸模量从302GPa提高到450GPa，而且纤维直径减小时，提高幅度增加（ChaeHG,Choi YH,Minus ML,Kumar S.Carbon nanotube reinforced small diameterpolyacrylonitrile based carbon fier.Compos Sci Technol.2009;69(3-4):406-13.）。但碳纳米管的应用也具有一定的局限性，首先碳纳米管为二维管状结构，不容易溶入到碳纤维的石墨层片当中，其次碳纳米管的成本比较高，不适合大规模应用。
石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维层状结构的一种碳质新材料，也是世界上最薄的材料，具有优异的电学、热学和力学性能。石墨烯的特殊结构及性能使得它在微电子、聚合物复合等领域有广泛的应用。与石墨烯相比，氧化石墨烯具有相同的层状结构，但氧化石墨烯的层间及层片边缘含有含氧官能团（羟基、羧基、羰基和环氧基），这些官能团使得氧化石墨烯更容易分散在水及有机溶剂中，而且氧化石墨烯的层间距更大，更有利于其他小分子的插层。因此，在聚合物复合方面应用氧化石墨烯来代替石墨烯。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化石墨烯改性PAN碳纤维原丝的制备方法，该方法工艺简单，成本低，所得氧化石墨烯改性的PAN纤维原丝取向度较PAN纤维原丝高，并且在热稳定化过程中解取向较小。
本发明的一种氧化石墨烯改性PAN纤维原丝的制备方法，包括：
（1）将氧化石墨烯分散在溶剂中，超声分散均匀后，进一步制备含氧化石墨烯的PAN纺丝原液；
（2）将上述纺丝原液经过脱单、脱泡后通过湿法纺丝工艺纺丝，最后经水洗、干燥即得氧化石墨烯改性PAN纤维原丝。
步骤（1）中所述的氧化石墨烯的层片尺寸在0.01-100μm之间。
步骤（1）中所述的溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、硫氰酸钠水溶液、氯化锌水溶液或硝酸。
步骤（1）中所述的制备含氧化石墨烯的PAN纺丝原液的方法为原位聚合法或共混法。
所述的原位聚合法为：将氧化石墨烯分散在溶剂中，超分散均匀后，加入丙烯腈、丙烯酰胺和偶氮二异丁腈，氮气保护下反应形成均匀的纺丝原液。
所述的氧化石墨烯占总单体（丙烯腈与丙烯酰胺之和）的质量百分数为0.01-20wt.%。
所述的氮气保护下反应在50-70℃下反应10-30h。
步骤（2）中所述的湿法纺丝工艺的具体参数为：为了防止氧化石墨烯在纺丝过程中发生团聚，选用螺杆机喷丝头，喷丝孔径为0.08mm；纺丝速度为2.39m/min，纺丝温度为70℃，牵伸比为4.5；凝固浴为浓度为55wt%的二甲基亚砜水溶液，凝固浴温度为40℃。
本发明的技术关键是采用氧化石墨烯来改性PAN纤维，不同层片大小的氧化石墨烯对PAN纤维的影响不同。另外，溶剂对氧化石墨烯的溶解能力好，溶解度大，适用于不同氧化石墨烯含量的丙烯腈共聚体的纺丝，产品的可调整范围广。
本发明在PAN纤维原丝中加入氧化石墨烯，由于氧化石墨烯的特殊片状结构，在纺丝过程中它会诱导纤维沿纤维轴向取向，从而使得纤维原丝的取向度比普通原丝的取向度高，并且在热处理过程中，这种刚性分子会限制纤维发生解取向，并在碳化过程中完全融入到碳纤维结构中，最终得到力学性能更好的高取向的PAN基碳纤维，具有良好的应用前景。
有益效果
（1）本发明的改性PAN纤维原丝的制备方法简单，成本低，可规模化生产；
（2）本发明所得氧化石墨烯改性的PAN纤维原丝取向度较PAN纤维原丝高，并且在热稳定化过程中解取向较小；与现有技术相比，本发明很好的克服了现有的PAN纤维在纺丝、热稳定化和碳化过程中存在的缺陷，以及用其他碳材料改性PAN纤维所遇到的困难，应用前景广阔。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
由于纺丝原液的制备及纺丝工艺等与现有技术是基本相同的，这些都为本领域普通技术人员所熟知，因此实施例将着重对不同氧化石墨烯的添加量、不同层片大小的氧化石墨烯以及不同纺丝原液的制备方法对PAN纤维的性能影响进行举例。
实施例1
将0.41g氧化石墨烯（氧化石墨烯占总单体的质量百分数为0.5%）分散在300ml二甲基亚砜中，400w超声3h（氧化石墨烯层片大小为50nm），待其分散均匀，加入到四口烧瓶中，依次量取100ml（密度为0.806g/cm3）丙烯腈、1.65g丙烯酰胺和0.41g偶氮二异丁腈并加入到四口烧瓶中，搅拌并通入氮气，65℃下反应20h形成均匀的纺丝原液。纺丝原液经过脱单、脱泡后进行纺丝，原液温度为70℃。凝固浴为二甲基亚砜水溶液，其浓度为55%，凝固浴温度为40℃。纺丝速度为2.39m/min，牵伸比为4.5，经后续水洗、干燥便得到含氧化石墨烯的PAN纤维。
对其进行X射线衍射分析，并测量力学性能，其取向度为84.8%，拉伸强度为0.4GPa，初始模量为7.67GPa。
实施例2
将0.41g氧化石墨烯（氧化石墨烯占总单体的质量百分数为0.5%)分散在300ml二甲基亚砜中，400w超声5h（氧化石墨烯层片大小为40nm），待其分散均匀，加入到四口烧瓶中，依次量取100ml（密度为0.806g/cm3）丙烯腈、1.65g丙烯酰胺和0.41g偶氮二异丁腈并加入到四口烧瓶中，搅拌并通入氮气，65℃下反应20h形成均匀的纺丝原液。纺丝原液经过脱单、脱泡后进行纺丝，原液温度为70℃。凝固浴为二甲基亚砜水溶液，其浓度为55%，凝固浴温度为40℃。纺丝速度为2.39m/min，牵伸比为4.5，经后续水洗、干燥便得到含氧化石墨烯的PAN纤维。
对其进行X射线衍射分析，并测量力学性能，其取向度为82.6%，拉伸强度为0.36GPa，初始模量为7.23GPa。
实施例3
将0.41g氧化石墨烯（氧化石墨烯占总单体的质量百分数为0.5%)分散在300ml二甲基亚砜中，400w超声12h（氧化石墨烯层片大小为25nm），待其分散均匀，加入到四口烧瓶中，依次量取100ml（密度为0.806g/cm3）丙烯腈、1.65g丙烯酰胺和0.41g偶氮二异丁腈并加入到四口烧瓶中，搅拌并通入氮气，65℃下反应20h形成均匀的纺丝原液。纺丝原液经过脱单、脱泡后进行纺丝，原液温度为70℃。凝固浴为二甲基亚砜水溶液，其浓度为55%，凝固浴温度为40℃。纺丝速度为2.39m/min，牵伸比为4.5，经后续水洗、干燥便得到含氧化石墨烯的PAN纤维。
对其进行X射线衍射分析，并测量力学性能，其取向度为80%，拉伸强度为0.3GPa，初始模量为6.5GPa。
实施例4
将0.62g氧化石墨烯（氧化石墨烯占总单体的质量百分数为0.75%）分散在300ml二甲基亚砜中，400w超声4h（氧化石墨烯层片大小为50nm），待其分散均匀，加入到四口烧瓶中，依次量取100ml（密度为0.806g/cm3）丙烯腈、1.65g丙烯酰胺和0.41g偶氮二异丁腈并加入到四口烧瓶中，搅拌并通入氮气，65℃下反应20h形成均匀的纺丝原液。纺丝原液经过脱单、脱泡后进行纺丝，原液温度为70℃。凝固浴为二甲基亚砜水溶液，其浓度为55%，凝固浴温度为40℃。纺丝速度为2.39m/min，牵伸比为4.5，经后续水洗、干燥便得到含氧化石墨烯的PAN纤维。
对其进行X射线衍射分析，并测量力学性能，其取向度为80.2%，拉伸强度为0.33GPa，初始模量为7.06GPa。
实施例5
将0.83g氧化石墨烯（氧化石墨烯占总单体的质量百分数为1%）分散在300ml二甲基亚砜中，400w超声5h（氧化石墨烯层片大小为50nm），待其分散均匀，加入到四口烧瓶中，依次量取100ml（密度为0.806g/cm3）丙烯腈、1.65g丙烯酰胺和0.41g偶氮二异丁腈并加入到四口烧瓶中，搅拌并通入氮气，65℃下反应20h形成均匀的纺丝原液。纺丝原液经过脱单、脱泡后进行纺丝，原液温度为70℃。凝固浴为二甲基亚砜水溶液，其浓度为55%，凝固浴温度为40℃。纺丝速度为2.39m/min，牵伸比为4.5，经后续水洗、干燥便得到含氧化石墨烯的PAN纤维。
对其进行X射线衍射分析，并测量力学性能，其取向度为79.3%，拉伸强度为0.34GPa，初始模量为7.35GPa。
实施例6
将0.41g氧化石墨烯（氧化石墨烯占总单体的质量百分数为0.5%）分散在100ml二甲基亚砜中，400w超声3h（氧化石墨烯层片大小为50nm）。依次量取100ml（密度为0.806g/cm3）丙烯腈、300ml二甲基亚砜、1.65g丙烯酰胺和0.41g偶氮二异丁腈并加入到四口烧瓶中，搅拌并通入氮气，65℃下反应20h得到PAN。将之前分散有氧化氧化石墨烯的二甲基亚砜溶液与PAN混合，并搅拌20h得到纺丝原液，经过脱单、脱泡后进行纺丝，原液温度为70℃。凝固浴为二甲基亚砜水溶液，其浓度为55%，凝固浴温度为40℃。纺丝速度为2.39m/min，牵伸比为4.5，经后续水洗、干燥便得到含氧化石墨烯的PAN纤维。对其进行X射线衍射分析，并测量力学性能，其取向度为78.2%，拉伸强度为0.30GPa，初始模量为6.25GPa。
Claims (1)
1.一种氧化石墨烯改性PAN纤维原丝的制备方法，包括：
将0.41g占总单体的质量百分数为0.5％的氧化石墨烯分散在300ml二甲基亚砜中，400w超声3h，氧化石墨烯层片大小为50nm，待其分散均匀，加入到四口烧瓶中，依次量取100ml、密度为0.806g/cm3丙烯腈、1.65g丙烯酰胺和0.41g偶氮二异丁腈并加入到四口烧瓶中，搅拌并通入氮气，65℃下反应20h形成均匀的纺丝原液；纺丝原液经过脱单、脱泡后进行纺丝，原液温度为70℃；凝固浴为二甲基亚砜水溶液，其浓度为55wt％，凝固浴温度为40℃；纺丝速度为2.39m/min，牵伸比为4.5，经后续水洗、干燥便得到含氧化石墨烯的PAN纤维。
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