聚丙烯腈-氧化石墨烯復(fù)合物的制備及其性質(zhì)研究.pdf

1、碳纖維具有許多優(yōu)良的性能，逐步成為軍民兩用不可或缺的材料。聚丙烯腈基碳纖維的綜合性能尤為突出，被廣泛使用。碳纖維的強(qiáng)度主要取決于纖維取向程度，結(jié)晶度，缺陷以及纖維的尺寸。因此若能夠通過改性提高原絲及碳纖維的取向度，結(jié)晶度，減少缺陷和細(xì)化直徑，則有助于制備出性能更好的碳纖維。
　　 石墨烯是一種單片層的石墨材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得其能夠在碳纖維改性上發(fā)揮重要作用。首先片層剛性結(jié)構(gòu)的石墨烯在纖維成纖和拉伸過程中可以引導(dǎo)纖維中分子鏈的排

2、列，提高其結(jié)晶度。其次石墨烯在牽伸的作用下進(jìn)行取向，可以誘導(dǎo)纖維分子鏈沿著石墨烯層片方向進(jìn)行取向排列；纖維在熱處理時(shí)將會(huì)發(fā)生物理收縮，其取向程度也將隨之下降，此時(shí)石墨烯通過限制分子鏈的運(yùn)動(dòng)可以抑制分子鏈的解取向，從而提高纖維的取向度。最后在炭化時(shí)預(yù)氧化纖維的結(jié)構(gòu)將向類石墨的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這時(shí)單片層石墨結(jié)構(gòu)的石墨烯可以起到模板的作用引導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變同時(shí)融于其中但又不會(huì)造成結(jié)構(gòu)上的不匹配帶來的缺陷，最終促進(jìn)纖維形成更加完善的石墨化結(jié)構(gòu)。

3、>　　 盡管石墨烯在碳纖維改性上有諸多的優(yōu)勢(shì)，但由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以在溶劑中分散，限制了它的應(yīng)用，因此選擇氧化石墨烯為替代改性材料。氧化石墨烯是在石墨烯片層表面含有大量的官能團(tuán)，在諸多溶劑中有良好的分散性，因此可以先將氧化石墨烯通過溶劑分散在聚丙烯腈中，氧化石墨烯經(jīng)過熱處理則可發(fā)生脫氧轉(zhuǎn)變?yōu)槭?br>　　 為了將氧化石墨烯均勻分散在聚丙烯腈基體中，選擇原位聚合法制備聚丙烯腈/氧化石墨烯復(fù)合物。因此需首先考察其在聚丙烯腈的溶

4、劑二甲基亞砜(DMSO)中的分散性，其次是氧化石墨烯對(duì)聚合過程的影響，最后考察其對(duì)聚丙烯腈結(jié)構(gòu)和熱性能的影響。從而可以評(píng)估氧化石墨烯對(duì)聚丙烯腈產(chǎn)生的影響大小，為紡絲原液和原絲的制備提供指導(dǎo)和幫助。
　　 本文采用Hummers法和超聲處理制備出穩(wěn)定分散的氧化石墨烯分散液，通過原位聚合法制得氧化石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合物。聚合過程中聚合反應(yīng)受到氧化石墨烯的抑制，樣品的轉(zhuǎn)化率隨著氧化石墨烯的添加而下降約5％，樣品的分子量隨著氧化石墨烯的

5、逐漸增加從69000 g/mol逐漸下降到53000 g/mol。IR和XRD研究顯示氧化石墨烯添加量在2.5wt%及以下時(shí)在基體中分散良好且其與基體之間存在氫鍵和化學(xué)交聯(lián)作用。氧化石墨烯的加入提高了聚丙烯腈樣品的結(jié)晶度，且當(dāng)添加量為0.5wt%時(shí)結(jié)晶度提高了8%，達(dá)到了41%。DSC分析表明添加適量的氧化石墨烯如0.5wt%時(shí)樣品的放熱過程比較緩和和充分，有利于得到更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。熱失重分析表明氧化石墨烯的添加提高了樣品的熱穩(wěn)定性，且添