一种石墨烯‑玄武岩纤维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯‑玄武岩纤维复合材料及其制备方法，利用玄武岩纤维表面的氧化石墨烯涂层的溶胀和融合作用可实现对玄武岩纤维的交联。氧化石墨烯作为上浆剂和交联剂，可对玄武岩纤维均匀涂覆，交联过程快速简单，交联强度高。经过进一步的还原后，氧化石墨烯交联层转变为石墨烯交联层，增强了玄武岩纤维间的相互作用，降低了纤维间的接触电阻，使得玄武岩纤维展现出优异的力学性能和导电导热性，可用于复合材料的增强相以及差异化纤维应用。这种利用石墨烯交联玄武岩纤维的方法具有很大的研究价值和广泛的应用前景。

A graphene basalt fiber composite material and preparation method thereof

The invention discloses a graphene basalt fiber composite material and its preparation method using graphene oxide coating swelling of basalt fiber surface and the fusion effect can realize the crosslinking of basalt fiber. As a sizing agent and crosslinking agent, graphene oxide can be evenly coated with basalt fiber. The crosslinking process is fast and simple, and the crosslinking strength is high. After further reduction, graphene oxide crosslinking layer into graphene crosslinking layer, enhances the interaction between basalt fiber, reduce the contact resistance between the fibers, the basalt fiber exhibits excellent mechanical properties and conductivity, can be used for reinforced composite material and different fiber application. The method of using graphene to crosslink basalt fiber has great research value and wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯-玄武岩纤维复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合纤维领域，尤其涉及一种石墨烯-玄武岩纤维复合材料及其制备方法。
技术介绍
玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。与玻璃纤维相比，玄武岩纤维不仅具有力学强度高、导热系数低以及耐温、耐酸碱、隔热、隔音、电绝缘、安全无毒和自身重量轻等一系列优异的性能，而且还具有特殊的使用温度范围(-260～700℃)。此外，玄武岩纤维的生产工艺决定了产生的废弃物少，对环境污染小，且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维(碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维)之一，实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。然而，玄武岩纤维的表面性能差，易脆裂，难以集束和表面修饰，并且由于大部分成分为二氧化硅，耐碱性不佳，在面临特殊环境时应用性差。石墨烯是一种具有单原子层厚度的二维碳材料，具有低密度、极高的力学强度、热导率和电导率和优良的耐腐蚀性，并且与玄武岩纤维之间有较好的亲和性，因此利用纯石墨烯交联玄武岩纤维，可以通过非熔融的手段实现玄武岩纤维的集束和无纺布化，不仅能很好地维持玄武岩纤维的力学强度、耐高温性、耐腐蚀性，而且能提高材料的导电导热性，降低整体比重，可用作高性能复合材料的填充体。本专利技术利用氧化石墨烯在溶剂中的溶胀和融合作用制备得到纯石墨烯交联的玄武岩纤维，相比于熔融交联的方法能更好保持玄武岩纤维本身的强度，相比于采用其他化学方法交联更为简单易行，绿色环保。由于石墨烯本身的高导电性、高导热性、耐腐蚀性等性能，在对玄武岩纤维表面涂覆后，可以提升玄武岩纤维本身的导电导热性和耐碱性，并且由于石墨烯交联的存在，玄武岩纤维表面可形成导电导热网络，在用于复合材料的增强体使可以更加有效地实现增强。
技术实现思路
由于难以集束，耐碱性差，导电导热性差，现有的玄武岩纤维的应用范围受到了限制。本专利技术的目的是针对现有的技术不足，提供一种石墨烯-玄武岩纤维复合材料及其制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯-玄武岩纤维复合材料，石墨烯包覆在玄武岩纤维表面，玄武岩纤维表面与石墨烯片通过范德华力和氢键连接。玄武岩纤维之间通过包覆在表面的石墨烯实现交联，形成无捻纱，无纺布或短切毡。一种石墨烯-玄武岩纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将玄武岩纤维置于甲苯中加热至250℃，超声清洗10～30min，除去表面浸润剂和油剂，烘干。(2)使用氧化石墨烯分散液对玄武岩纤维进行表面涂覆，干燥后得到表面涂覆有氧化石墨烯的玄武岩纤维。(3)将涂覆氧化石墨烯的玄武岩纤维置于溶剂中进行表面溶胀，然后将纤维合并经干燥后形成所述无捻纱，或将纤维相互搭接经干燥后形成所述无纺布或短切毡，干燥温度低于100摄氏度。(4)还原后得到石墨烯-玄武岩纤维复合材料。进一步地，所述步骤(2)中氧化石墨烯分散液的浓度为7mg/g，分散剂为水、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲亚砜、二甘醇、吡啶、二氧六环、丁酮、异丙醇等。进一步地，所述步骤(2)中使用氧化石墨烯分散液对玄武岩纤维进行多次涂覆，每次涂覆后干燥，最终干燥后的氧化石墨烯层厚度为3μm。进一步地，所述步骤(3)中溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、二甘醇等醇类、甲酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、丙烯酸等有机酸、丙酮、丁酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、吡啶、二氧六环、氯化钠的水溶液、氯化钙的水溶液、硝酸钠的水溶液、硝酸钙的水溶液、磷酸钠的水溶液、氯化钾的水溶液、氯化铵的水溶液、氢氧化钾的水溶液、氢氧化钠的水溶液或这些溶液的混合液。进一步地，所述步骤(4)中还原方法为使用氢碘酸、水合肼、维他命C、硼氢化钠等化学还原剂进行还原或100～600℃热还原。本专利技术的有益效果在于：(1)纯石墨烯作为玄武岩纤维表面分布均匀，界面附着强度高，浸泡在溶剂中不脱落。(2)纯石墨烯作为玄武岩纤维的交联剂交联强度高。利用氧化石墨烯在溶剂中的溶胀融合作用实现玄武岩纤维的交联，方法简单、省时，采用的溶剂环保，交联效果好，相比其他交联方法具有很大的应用价值。利用此交联方法可以保持玄武岩纤维优异的力学性能，并提高其导电性，耐腐蚀性，导热性，从而进一步扩展玄武岩纤维材料的应用。附图说明图1是经本专利技术石墨烯交联的玄武岩纤维无纺布的示意图。图2是经本专利技术石墨烯交联的玄武岩纤维无捻纤的示意图。具体实施方式制备石墨烯-玄武岩纤维复合材料的方法包括如下步骤：(1)将玄武岩纤维置于甲苯中加热至250℃，超声清洗10～30min，除去表面浸润剂和油剂，烘干。(2)使用氧化石墨烯分散液对玄武岩纤维进行表面涂覆，干燥后得到表面涂覆有氧化石墨烯的玄武岩纤维。所述氧化石墨烯分散液的浓度为7mg/g，分散剂为水、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲亚砜、二甘醇、吡啶、二氧六环、丁酮、异丙醇等。使用氧化石墨烯分散液对玄武岩纤维进行多次涂覆，每次涂覆后干燥，干燥温度约为25～200℃，最终干燥后的氧化石墨烯层厚度为3μm。(3)将涂覆氧化石墨烯的玄武岩纤维置于溶剂中进行表面溶胀，然后将纤维合并经干燥后形成所述无捻纱，或将纤维相互搭接经干燥后形成所述无纺布或短切毡，干燥温度低于100摄氏度。所述溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、二甘醇等醇类、甲酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、丙烯酸等有机酸、丙酮、丁酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、吡啶、二氧六环、氯化钠的水溶液、氯化钙的水溶液、硝酸钠的水溶液、硝酸钙的水溶液、磷酸钠的水溶液、氯化钾的水溶液、氯化铵的水溶液、氢氧化钾的水溶液、氢氧化钠的水溶液或这些溶液的混合液。(4)还原后得到石墨烯-玄武岩纤维复合材料。所述还原方法为使用氢碘酸、水合肼、维他命C、硼氢化钠等化学还原剂进行还原或100～600℃热还原。为实现玄武岩纤维的交联，本专利技术将氧化石墨烯涂覆到玄武岩纤维表面，氧化石墨烯与玄武岩纤维的羟基形成氢键和范德华力作用，实现均匀牢固涂覆。而后使玄武岩纤维表层氧化石墨烯在溶剂中溶胀，片层获得较大的自由度，干燥时氧化石墨烯片层由于受到溶剂挥发所致的毛细作用力和片层之间的π-π作用力而自发紧密堆叠，因此玄武岩纤维相互交联，如图1,2所示，最终得到石墨烯-玄武岩纤维复合材料，包括无捻纱，无纺布或短切毡等。石墨烯交联的玄武岩纤维保持了玄武岩纤维自身的力学强度、导电、耐腐蚀等性能，提高了玄武岩纤维的导热性，具有很大的实际应用价值。下面通过实施例对本专利技术进行具体描述，本实施例只用于对本专利技术做进一步的说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述专利技术的内容做出一些非本质的改变和调整均属本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯‑玄武岩纤维复合材料，其特征在于，石墨烯包覆在玄武岩纤维表面，玄武岩纤维表面与石墨烯片通过范德华力和氢键连接。玄武岩纤维之间通过包覆在表面的石墨烯实现交联，形成无捻纱，无纺布或短切毡。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-玄武岩纤维复合材料，其特征在于，石墨烯包覆在玄武岩纤维表面，玄武岩纤维表面与石墨烯片通过范德华力和氢键连接。玄武岩纤维之间通过包覆在表面的石墨烯实现交联，形成无捻纱，无纺布或短切毡。2.一种石墨烯-玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将玄武岩纤维置于甲苯中加热至250℃，超声清洗10～30min，除去表面浸润剂和油剂，烘干。(2)使用氧化石墨烯分散液对玄武岩纤维进行表面涂覆，干燥后得到表面涂覆有氧化石墨烯的玄武岩纤维。(3)将涂覆氧化石墨烯的玄武岩纤维置于溶剂中进行表面溶胀，然后将纤维合并经干燥后形成所述无捻纱，或将纤维相互搭接经干燥后形成所述无纺布或短切毡，干燥温度低于100摄氏度。(4)还原后得到石墨烯-玄武岩纤维复合材料。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中氧化石墨烯分散液的浓度为7mg/g，分散剂为水、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙醇、乙二醇、N-...

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，陈琛，韩燚，李拯，
申请(专利权)人：杭州高烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33