高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供了一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯类物质水溶液进行预处理，得到石墨烯类物质分级水溶液，石墨烯类物质的D90指标控制在70μm以下；将PVA水溶液、硼酸与所述石墨烯类物质分级水溶液混合搅拌，得到PVA浓度为10‑20wt％的含硼酸的纺丝原液；将纺丝原液过滤、脱泡、纺丝以及干燥后，即得。采用上述制备方法制备得到的高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维广泛应用于建筑行业、运输行业方面。该复合型纤维拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率等指标均有了质的提高，并且还额外赋予了纤维材料较高的韧性、耐热水性和抗静电性。

【技术实现步骤摘要】
高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维及其制备方法、应用
本专利技术涉及聚乙烯醇纤维加工制备领域，具体而言，涉及一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维及其制备方法、应用。
技术介绍
聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性高分子聚合物，其分子式为[C2H4O]n。聚乙烯醇纤维由于有良好的亲水性、抗冲击性和成型加工中易于分散性好等特点，可以作为塑料、水泥以及陶瓷等的增强材料，也可替代有致癌物质的石棉。石墨烯是一种由单层sp2杂化碳原子组成的蜂窝状结构的二维材料，具有许多优异的性能。自从2004年被发现起，石墨烯就成为了科学界的一大研究热点。在对石墨烯的物理化学性质进行研究的同时，与石墨烯相关的复合材料也层出不穷。在纳米科学方向上，石墨烯也被用来制备相关的纳米复合材料，尤其是石墨烯/金属或石墨烯/金属氧化物的纳米复合材料。由于石墨烯的优异性能，这些纳米复合材料在新型能源、生物传感、催化、光学材料等领域有着广阔的研究前景。专利CN104328533A公开了一种高强高模量聚乙烯醇-石墨烯纳米复合纤维的制备方法，将石墨烯或其衍生物和聚乙烯醇在混合溶剂中混合均匀后，通过凝胶纺丝的方法纺丝，高倍热拉伸得到高强高模的聚乙烯醇-石墨烯纳米复合纤维，制得的聚乙烯醇-石墨烯纳米复合纤维的拉伸强度可达1.4-2.2GPa，杨氏模量36GPa，断裂伸长率10％。但该专利制备的改性PVA其强度和韧性一般，有待于进一步提高，并且其也不具备抗静电性能等其他优异性能，不能满足现代人对材料本身的多功能性的要求。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供上述具有高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，制备方法前后步骤衔接紧密，方法简单快捷，与现有生产工艺设备和流程可实现无缝对接，具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和，可实现石墨烯复合聚乙烯醇纤维的工业化生产、经济效益良好，制备出的纤维复合材料在实现传统高强、高模聚乙烯醇纤维纺丝工艺基础上，进一步翻倍提升纤维的力学性能，同时赋予了该纤维材料较高的韧性、耐热水性和抗静电性。本专利技术的第二目的在于提供一种采用上述方法制得的高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维，该复合型纤维拉伸轻度、断裂伸长率等指标均有了质的提高，并且还额外赋予了纤维材料较高的韧性、耐热水性和抗静电性，进一步扩大了纤维材料的市场应用范围，提高了产品的附加值，有利于进一步推广应用。本专利技术的第三目的在于提供上述具有高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的应用，该复合纤维材料应用非常广泛，广泛应用于各个行业。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术实施例提供了一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，主要包括如下步骤：(A)将石墨烯类物质水溶液进行预处理，得到石墨烯类物质分级水溶液，石墨烯类物质的D90指标控制在70μm以下；(B)将PVA水溶液、硼酸与所述石墨烯类物质分级水溶液混合搅拌，得到PVA浓度为10-20wt％的含硼酸的纺丝原液；(C)将纺丝原液过滤、脱泡、纺丝以及干燥后，即得。高强度聚乙烯醇(PVA)纤维本身具有良好的亲水性、粘结性、抗冲击性以及加工过程中易于分散等，所以作为增强材料在水泥、石棉板材、陶瓷建材及聚合物基复合材料等方面已有很多应用。用高强度PVA纤维增强混凝土和建筑材料可有效地改善材料的抗冲击、抗弹性疲劳及防龟裂等性能。用高强度PVA纤维制成的土工布抗拉强度高，抗蠕变性好，耐磨、耐化学腐蚀、耐微生物及导水性优良，在工程施工中可起到加筋、隔离、保护、排水及防漏作用，可用于各种水坝以及公路、铁路、桥梁、隧道、淤浆、沙地等工程的压沙隔水、加固、铺垫、稳固基础以及防水隔离等，能显著提高施工质量，降低工程成本。用环氧树脂将高强度PVA纤维粘合成杆状物代替混凝土中的钢筋，用作土木建筑工程材料，可大大降低建筑构件的自重。由于高强度PVA纤维的断裂强度、抗冲击强度、耐气候性、耐海水腐蚀性等都比较好，适宜用作各种类型的渔网、渔具、渔线、绳缆等，在海洋捕鱼及运输工具等方面有很好的应用市场。尽管高强度PVA纤维的抗张强度和模量尚不如Kevlar、UHMW-PE纤维等，但其断裂比功大、粘接性好、价格低廉等，在防护复合材料方面有可能部分替代价格较高的Kevlar纤维等。虽然高强度聚乙烯醇纤维本身的性能比较优越，但是随着社会的不断进步，对材料性能的要求越来越高，现有的聚乙烯醇纤维已不能满足要求，开发一种新的复合材料迫在眉睫。为了解决现有技术中存在的诸多技术问题，本专利技术提供了一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，这种制备方法制备出的复合型纤维不仅具备传统聚乙烯醇纤维材料的所有优异性能，而且性能有所提升的同时还赋予了纤维材料本身较高的韧性、耐热水性和抗静电性等附加性能，现有技术中制备石墨烯复合聚乙烯醇纤维时，一般是直接将石墨烯和聚乙烯醇在混合溶剂中混合均匀，纺丝、拉伸制得聚乙烯醇-石墨烯纳米复合纤维，但是这种方法制备出的纤维材料的性能一般，本专利技术在将石墨烯类物质(石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种混合，其中石墨烯衍生物包括元素掺杂的石墨烯，最终是利用其中的石墨烯结构)与聚乙烯醇混合之前，特意先将石墨烯类物质的水溶液进行预处理，这种预处理的方法现有技术中没有任何记载，本专利技术尚属首创。通过预处理后以保证石墨烯类物质的D90指标控制在50μm以下，优选30μm以下，目的是为了尽量保持石墨烯类物质的大片结构，确保石墨烯类物质不会发生层间团聚，防止不同片径石墨烯类物质带来的应力集中点断裂的问题，如果粒度太大、或者太小可能都会不利于后续与PVA分子链形成更为均一的无机-有机搭接结构，因此为了保证片径的均一性，更优的D90(表示粒径分布中占90％所对应的粒径)指标控制在5-25μm之间，还可以为7μm、10μm、12μm、14μm、16μm、18μm、40μm、48μm等，越是保持在同一粒径的石墨烯类物质才更有利于后续与PVA复合后，得到的产品各方面性能俱佳，因此需要严格控制其粒径。所采用的石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种混合，所述石墨烯衍生物为经过改性的石墨烯。优选地，所述石墨烯衍生包括元素掺杂石墨烯或官能团化石墨烯物中的任意1种或至少2种的组合。优选地，所述元素掺杂石墨烯包括金属掺杂石墨烯或非金属元素掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合。所述金属掺杂的金属元素典型但非限制性的包括钾、钠、金、银、铁、铜、镍、铬钛、钒或钴。所述非金属元素掺杂石墨烯典型但非限制性的包括氮、磷、硼或硅。优选地，所述非金属元素掺杂石墨烯包括氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯或硫掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合。优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有官能团的石墨烯。优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有羟基、羧基或氨基中的任意1种或至少2种的组合的石墨烯。本专利技术所述羟基包括-R1-OH，所述R1包括烷烃基，典型但非限制性的羟基可以是甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基等。本专利技术所述羧基包括-R2-COOH，所述R2包括烷烃基，典型但非限制性的羟基可以是甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基等。本专利技术所述羧基包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：(A)将石墨烯类物质水溶液进行预处理，得到石墨烯类物质分级水溶液，石墨烯类物质的D90指标控制在70μm以下；(B)将PVA水溶液、硼酸与所述石墨烯类物质分级水溶液混合搅拌，得到PVA浓度为10‑20wt％的含硼酸的纺丝原液；(C)将纺丝原液过滤、脱泡、纺丝以及干燥后，即得。

【技术特征摘要】
2016.07.11 CN 20161053970301.一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：(A)将石墨烯类物质水溶液进行预处理，得到石墨烯类物质分级水溶液，石墨烯类物质的D90指标控制在70μm以下；(B)将PVA水溶液、硼酸与所述石墨烯类物质分级水溶液混合搅拌，得到PVA浓度为10-20wt％的含硼酸的纺丝原液；(C)将纺丝原液过滤、脱泡、纺丝以及干燥后，即得。2.根据权利要求1所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(A)中，预处理的方法包括：将石墨烯类物质水溶液超声分散、2000-3000rpm条件下离心操作后保留底部沉淀，上清液在5000-7000rpm条件下离心操作后分别得到二次底部沉淀与二次上清液；其中，所述石墨烯类物质分级水溶液包括底部沉淀、二次底部沉淀、二次上清液中的任意一种制备得到，优选二次底部沉淀；优选地，所述石墨烯类物质分级水溶液中，石墨烯类物质的浓度控制在3wt％以下，更优选为2wt％以下。3.根据权利要求2所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，超声分散的时间控制在1-3h；优选地，2000-3000rpm条件下离心操作的时间控制在20-40min；优选地，5000-7000rpm条件下离心操作的时间控制在10-30min。4.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，石墨烯类物质的D90指标控制在50μm以下，优选30μm以下，更优选为5-25μm之间；优选的，石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种的混合，其中石墨烯衍生物包括元素掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐一林，张金柱，张安，王文平，刘顶，
申请(专利权)人：济南圣泉集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37