阅读说明：本技术 一种石墨烯和碳纳米管原位生长共修饰增韧碳纤维的制备方法 (Preparation method of graphene and carbon nanotube in-situ growth co-modified toughened carbon fiber ) 是由 汪训国 张羽丰 李孙平 周燚平 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种石墨烯和碳纳米管原位生长共修饰增韧碳纤维的制备方法,包括以下步骤：(1)碳纤维超声清洗；(2)碳纤维预氧化；(3)预氧化的碳纤维表面生长多孔石墨烯,得表面生长多孔石墨烯的碳纤维；(4)表面生长多孔石墨烯的碳纤维表面原位生长碳纳米管,得到石墨烯/碳纳米管共修饰增韧碳纤维材料。本发明通过在碳纤维表面刻蚀生长多孔石墨烯,一方面为碳纳米管的生长提供了活性位点,解决了碳纤维表面活性位点少,不易于生长碳纳米管的难题,一方面也提高了纤维力学性能。(The invention discloses a preparation method of graphene and carbon nanotube in-situ growth co-modified toughened carbon fibers, which comprises the following steps: (1) ultrasonic cleaning of carbon fibers; (2) pre-oxidizing carbon fibers; (3) growing porous graphene on the surface of the pre-oxidized carbon fiber to obtain the carbon fiber with the porous graphene growing on the surface; (4) and growing a carbon nano tube on the surface of the carbon fiber with the porous graphene growing on the surface in situ to obtain the graphene/carbon nano tube co-modified toughened carbon fiber material. According to the invention, the porous graphene is etched and grown on the surface of the carbon fiber, so that on one hand, an active site is provided for the growth of the carbon nanotube, the problems that the surface of the carbon fiber has few active sites and the carbon nanotube is not easy to grow are solved, and on the other hand, the mechanical property of the fiber is improved.)

一种石墨烯和碳纳米管原位生长共修饰增韧碳纤维的制备 方法

技术领域

本发明涉及碳纤维生产技术领域，特别涉及一种石墨烯和碳纳米管原位生长共修饰增韧碳纤维的制备方法。

背景技术

碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，是复合材料理想的增强体。但是碳纤维表面属于石墨乱层结构，微晶有序取向，惰性大，不易与树脂基体结合，导致其增强复合材料的界面粘结性能差，难以实现碳纤维增强相的增强作用。另一方面，由于环氧固化过程中形成的高度交联三维网状结构基体的固有脆性，导致其存在韧性不足，剪切强度低，易断裂，易分层以及抗冲击损伤能力较低等问题，一直阻碍着高性能碳纤维复合材料的应用。因此，对碳纤维进行适当的表面改性，增加纤维的比表面积、粗糙度和引入活性官能团，改善碳纤维复合材料的分层抵抗能力和剪切断裂韧性具有非常重要的意义。

传统的碳纤维改性方法，如在表面包覆氧化石墨烯、石墨烯、碳纳米管等，其主要工艺手段有溶液浸渍法、表面涂层法、电泳沉积法、化学气相沉积法等。

①传统碳纤维表面润湿性差，不易与树脂基体结合以及剪切强度等力学性能不足；

②碳纤维表面活性位点较少，不易于碳纳米管的生长，需要进行表面处理；

③碳纤维表面生长碳纳米管常用的溶液浸渍法、表面涂层法等方法中，存在的主要问题是：催化剂颗粒向碳纤维内部扩散，破坏了碳纤维表面的微晶结构，是缺陷增大增多，导致力学强度降低；另外，两者之间为物理结合，结合力较小，易脱落，同时应力传递能力较弱，对碳纤维力学性能改善效果有限。

CN 103225203 A公开了一种碳纤维- 氧化石墨烯- 碳纳米管多尺度增强体的制备方法，碳纤维表面经氧化石墨烯涂覆改性后原位生长碳纳米管，制备多尺度增强体。其存在的不足之处在于：氧化石墨烯通过浸渍法包覆在碳纤维上再生长碳纳米管，这样氧化石墨烯与碳纤维的结合力较弱，导致氧化石墨烯和碳纳米管易脱落；其采用加工氧化石墨烯后再表面生长碳纳米管，这样的方式碳纳米管生长的活性位点少，不利于碳纳米管的生长。通过在硝酸镍溶液中浸泡加载碳纳米管生长的催化剂，而会导致催化剂渗入碳纤维材料导致强度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯和碳纳米管原位生长共修饰增韧碳纤维的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种石墨烯和碳纳米管原位生长共修饰增韧碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）碳纤维依次在水、丙酮、异丙醇、乙醇中超声清洗；

（2）将超声清洗后的碳纤维在硝酸和硫酸的混合溶液中浸渍0.5-1小时预氧化，清洗、烘干后得到预氧化的碳纤维；

（3）将所得的预氧化的碳纤维卷绕固定在石墨支架上，放入化学气相沉积反应炉，在Ar氛围保护下加热到800-1000℃，按一定流速通入H₂进行表面刻蚀，刻蚀时间为5-10 min，在Ar氛围下冷却，得到表面生长多孔石墨烯的碳纤维；

（4）表面生长多孔石墨烯的碳纤维在化学气相沉积反应炉中加热到700-800℃，将预先配置好的碳纳米管合成前驱体有机溶液通过雾化器从化学气相沉积反应炉腔体上方进料，以Ar和H₂的混合气为载气，反应炉腔体温度控制在700-800℃进料反应30-90 min，在生长多孔石墨烯的碳纤维表面生长碳纳米管，冷却后制备得到石墨烯/碳纳米管共修饰增韧碳纤维材料。

本发明的方法在碳纤维表面原位生长石墨烯，从而在碳纤维表面形成均匀分布的多孔石墨烯表层结构，多孔结构的孔位可作为碳纳米管生长的活性位点，通过控制氢气流速与刻蚀时间，可以使提供的空位（活性位点）在宏观上更均匀，数量更可控。

本发明在碳纳米管生长时，未预先加载催化剂在碳纤维上，而是采用喷雾的方式边生长边加载，大大减少了催化剂与碳纤维的接触时间，可以有效防止催化剂向碳纤维内部渗入，破坏碳纤维内部结构从而降低强度。本发明这种可以无需预先加载催化剂在碳纤维上边喷边生长的方式主要通过改进碳纳米管合成前驱体有机溶液实现，核心在于使用了噻吩做催化剂促进剂。

所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维。

步骤（1）中，每次超声清洗时间为10-25min。

步骤（2）中，硝酸和硫酸的混合溶液由浓硝酸和浓硫酸按照1:1的体积比混合而成，浓硝酸的质量浓度为68-75%，浓硫酸的质量浓度为80-98%。

步骤（3）中，加热速率为10-20℃/min。

步骤（3）中，H₂通入流速为30-60 mL/min。

步骤（4）中，碳纳米管合成前驱体有机溶液由噻吩∶二茂铁∶二甲苯按照质量比1∶5-10∶50-100混合组成。二甲苯做溶剂和碳源，二茂铁做催化剂前驱体，噻吩做催化剂促进剂。

步骤（4）中，雾化器进料口温度控制在300-400℃。

步骤（4）中，碳纳米管合成前驱体有机溶液的进料速度为100-200 ml/h，载气流速为1-2 L/min。

步骤（4）中，Ar和H₂的体积比为1:1。

本发明的有益效果是：

①改善传统碳纤维表面润湿性差，不易与树脂基体结合以及剪切强度等力学性能不足的问题；

②通过在碳纤维表面刻蚀生长多孔石墨烯，一方面为碳纳米管的生长提供了活性位点，解决了碳纤维表面活性位点少，不易于生长碳纳米管的难题，一方面也提高了纤维力学性能；

③采用改良的浮动催化剂法（与传统浮动法相比，增加了催化促进剂，优化了配比）原位生长碳纳米管，与常用的溶液浸渍法、表面涂层法等方法相比，大大减少了催化剂与碳纤维的接触时间，可以有效防止催化剂向碳纤维内部渗入，破坏碳纤维内部结构从而降低强度；两者通过化学键结合，结合力强不易脱落。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

本发明所用反应腔体为立式化学气相沉积反应炉，耐温1200 ℃以上，腔体上方为进料口和进气口，腔体下方为出气口和出料口，腔体中段可放置环形石墨架。

实施例1：

一种石墨烯和碳纳米管原位生长共修饰增韧碳纤维的制备方法（如图1），包括以下步骤：

（1）聚丙烯腈基碳纤维依次在水、丙酮、异丙醇、乙醇中各超声清洗10min。

（2）将超声清洗后的碳纤维在硝酸和硫酸的混合溶液中浸渍0.5小时预氧化，清洗、烘干后得到预氧化的碳纤维；硝酸和硫酸的混合溶液由浓硝酸和浓硫酸按照1:1的体积比混合而成，浓硝酸的质量浓度为75%，浓硫酸的质量浓度为80%。

（3）将所得的预氧化的碳纤维卷绕固定在石墨支架上，放入化学气相沉积反应炉，在Ar氛围保护下加热到800℃，加热速率为10℃/min。按30mL/min流速通入H₂进行表面刻蚀，刻蚀时间为10 min，在Ar氛围下冷却，得到表面生长多孔石墨烯的碳纤维。

（4）表面生长多孔石墨烯的碳纤维在化学气相沉积反应炉中加热到700℃，将预先配置好的碳纳米管合成前驱体有机溶液（噻吩∶二茂铁∶二甲苯按照质量比1∶5∶50混合组成）通过雾化器从化学气相沉积反应炉腔体上方进料，雾化器进料口温度控制在300℃，以Ar和H₂的混合气为载气（Ar和H₂的体积比为1:1），进料速度为100ml/h，载气流速为1L/min，反应炉中段腔体温度控制在700℃进料反应90 min，在生长多孔石墨烯的碳纤维表面生长碳纳米管，冷却后制备得到石墨烯/碳纳米管共修饰增韧碳纤维材料。

实施例2：

一种石墨烯和碳纳米管原位生长共修饰增韧碳纤维的制备方法（如图1），包括以下步骤：

（1）聚丙烯腈基碳纤维依次在水、丙酮、异丙醇、乙醇中各超声清洗25min。

（2）将超声清洗后的碳纤维在硝酸和硫酸的混合溶液中浸渍1小时预氧化，清洗、烘干后得到预氧化的碳纤维；硝酸和硫酸的混合溶液由浓硝酸和浓硫酸按照1:1的体积比混合而成，浓硝酸的质量浓度为68%，浓硫酸的质量浓度为98%。

（3）将所得的预氧化的碳纤维卷绕固定在石墨支架上，放入化学气相沉积反应炉，在Ar氛围保护下加热到1000℃，加热速率为20℃/min。按60 mL/min流速通入H₂进行表面刻蚀，刻蚀时间为5min，在Ar氛围下冷却，得到表面生长多孔石墨烯的碳纤维。

（4）表面生长多孔石墨烯的碳纤维在化学气相沉积反应炉中加热到800℃，将预先配置好的碳纳米管合成前驱体有机溶液（噻吩∶二茂铁∶二甲苯按照质量比1∶10∶100混合组成）通过雾化器从化学气相沉积反应炉腔体上方进料，雾化器进料口温度控制在400℃，以Ar和H₂的混合气为载气（Ar和H₂的体积比为1:1），进料速度为200 ml/h，载气流速为2 L/min，反应炉中段腔体温度控制在800℃进料反应30 min，在生长多孔石墨烯的碳纤维表面生长碳纳米管，冷却后制备得到石墨烯/碳纳米管共修饰增韧碳纤维材料。

实施例3：

一种石墨烯和碳纳米管原位生长共修饰增韧碳纤维的制备方法（如图1），包括以下步骤：

（1）聚丙烯腈基碳纤维依次在水、丙酮、异丙醇、乙醇中各超声清洗15min。

（2）将超声清洗后的碳纤维在硝酸和硫酸的混合溶液中浸渍0.5-1小时预氧化，清洗、烘干后得到预氧化的碳纤维；硝酸和硫酸的混合溶液由浓硝酸和浓硫酸按照1:1的体积比混合而成，浓硝酸的质量浓度为70%，浓硫酸的质量浓度为95%。

（3）将所得的预氧化的碳纤维卷绕固定在石墨支架上，放入化学气相沉积反应炉，在Ar氛围保护下加热到900℃，加热速率为10℃/min。按50 mL/min流速通入H₂进行表面刻蚀，刻蚀时间为7 min，在Ar氛围下冷却，得到表面生长多孔石墨烯的碳纤维。

（4）表面生长多孔石墨烯的碳纤维在化学气相沉积反应炉中加热到750℃，将预先配置好的碳纳米管合成前驱体有机溶液（噻吩∶二茂铁∶二甲苯按照质量比1∶8∶70混合组成）通过雾化器从化学气相沉积反应炉腔体上方进料，雾化器进料口温度控制在300-400℃，以Ar和H₂的混合气为载气（Ar和H₂的体积比为1:1），进料速度为150 ml/h，载气流速为1.5L/min，反应炉中段腔体温度控制在750℃进料反应60 min，在生长多孔石墨烯的碳纤维表面生长碳纳米管，冷却后制备得到石墨烯/碳纳米管共修饰增韧碳纤维材料。

以本发明方法增韧后的碳纤维作为增强体，酚醛树脂为基体（质量比约1:1）形成的复合材料弯曲强度达到550 MPa，弯曲弹性模量达到60 GPa，较原PAN基碳纤维与酚醛树脂结合的复合材料分别提升37.5%和33%（原先分别为约400MPa和约45GPa）。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。