聚丙烯腈-氧化石墨烯復合物的制備及其性質研究.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。碳纖維的強度主要取決于纖維取向程度，結晶度，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，結晶度，減少缺陷和細化直徑，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，其獨特的結構使得其能夠在碳纖維改性上發(fā)揮重要作用。首先片層剛性結構的石墨烯在纖維成纖和拉伸過程中可以引導纖維中分子鏈的排

2、列，提高其結晶度。其次石墨烯在牽伸的作用下進行取向，可以誘導纖維分子鏈沿著石墨烯層片方向進行取向排列；纖維在熱處理時將會發(fā)生物理收縮，其取向程度也將隨之下降，此時石墨烯通過限制分子鏈的運動可以抑制分子鏈的解取向，從而提高纖維的取向度。最后在炭化時預氧化纖維的結構將向類石墨的結構轉變，這時單片層石墨結構的石墨烯可以起到模板的作用引導纖維結構的轉變同時融于其中但又不會造成結構上的不匹配帶來的缺陷，最終促進纖維形成更加完善的石墨化結構。

3、>　　 盡管石墨烯在碳纖維改性上有諸多的優(yōu)勢，但由于其化學結構穩(wěn)定，難以在溶劑中分散，限制了它的應用，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，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聚合過程的影響，最后考察其對聚丙烯腈結構和熱性能的影響。從而可以評估氧化石墨烯對聚丙烯腈產(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/聚丙烯腈復合物。聚合過程中聚合反應受到氧化石墨烯的抑制，樣品的轉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%及以下時在基體中分散良好且其與基體之間存在氫鍵和化學交聯(lián)作用。氧化石墨烯的加入提高了聚丙烯腈樣品的結晶度，且當添加量為0.5wt%時結晶度提高了8%，達到了41%。DSC分析表明添加適量的氧化石墨烯如0.5wt%時樣品的放熱過程比較緩和和充分，有利于得到更穩(wěn)定的結構。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