氧化石墨烯-纖維素復(fù)合材料的制備和性能.pdf

1、工業(yè)化的碳纖維主要有聚丙烯腈(PAN)、瀝青和纖維素三種原料。隨著石油資源消耗量日益劇增，以石油為基礎(chǔ)原料的合成纖維將面臨巨大的挑戰(zhàn)，PAN和瀝青必將陷入原料短缺的境地。而纖維素來源廣泛，是自然界中的可再生資源，被認(rèn)為是替代石油基衍生物最有潛力的原材料，這就為纖維素基碳纖維的發(fā)展帶來新的機(jī)遇。然而，纖維素基碳纖維的原絲碳收率低、取向度差，很難獲得高強(qiáng)高模的碳纖維。因此，提高原絲取向度和碳收率成為制備高性能纖維素基碳纖維的關(guān)鍵。由尿素改性

2、獲得的纖維素氨基甲酸酯(CC)，其生產(chǎn)中不使用CS2磺化，工藝綠色環(huán)保外，還可沿用粘膠纖維生產(chǎn)的設(shè)備。所以采用CC為原料來制備纖維素基碳纖維原絲，從源頭上可減小環(huán)境污染，這符合我國生態(tài)環(huán)境友好型發(fā)展模式要求。氧化石墨烯(GO)為剛性層片結(jié)構(gòu)、層片上有大量的含氧官能團(tuán)，使其能夠與高聚物之間發(fā)生物理或化學(xué)作用，誘導(dǎo)高分子取向，增強(qiáng)復(fù)合材料界面作用力，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和碳收率。因此，本文采用GO作為添加劑，來改進(jìn)CC的取向度、力學(xué)性

3、能和碳收率。
　　本文首先通過共混方法制備了GO/CC混合溶液，并用動態(tài)流變測試對溶液的流變及其穩(wěn)定性進(jìn)行表征。當(dāng)加入2wt.％GO時，該混合溶液粘度降低，有較寬的牛頓流動平臺區(qū)。而繼續(xù)增加GO含量，該混合溶液粘度增加，牛頓流動平臺區(qū)變窄，表現(xiàn)出類固體行為。此外，相比于純CC溶液，所有添加GO的CC溶液顯示了更長的有效紡絲時間。并且，添加2wt.％GO的CC溶液有效紡絲時間達(dá)到最長，顯示該溶液穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于其它GO含量的溶液。

4、>　　然后采用刮膜方法，制備了GO/CC復(fù)合膜并將其碳化，并通過XRD、SEM、拉伸測試等研究了GO對CC膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究表明，GO的加入促使了CC的結(jié)晶形式由纖維素Ⅰ型向纖維素Ⅱ型轉(zhuǎn)變。加入2wt.％GO提高了CC的結(jié)晶度和取向度。GO在復(fù)合膜中平行于膜表面取向排列。GO與CC之間的鍵合方式既有氫鍵也有共價鍵。加入GO也增強(qiáng)了CC膜的宏觀性能，相比于純CC膜，加入2wt.％GO的復(fù)合膜其強(qiáng)度和模量分別顯著提高了180％和280

5、％。此外，所有復(fù)合膜的碳收率均比純CC膜的要高。
　　最后對GO/CC混合溶液進(jìn)行濕法紡絲，并通過XRD和拉伸測試分別研究了GO對CC纖維取向和力學(xué)性能的影響。研究表明，加入1wt.％和2wt.％GO均提高了CC纖維分子的取向度。復(fù)合纖維的力學(xué)性能也得到增強(qiáng)，相比于純CC纖維，2wt.％GO/CC復(fù)合纖維的強(qiáng)度和模量分別提高了54.2％和60.7％。這些研究成果將為制備高取向、高碳收率的纖維素基碳纖維的原絲提供重要的信息和科學(xué)依據(jù)