一种氧化石墨烯改性纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种氧化石墨烯改性纤维及其制备方法和应用。一种氧化石墨烯改性纤维的制备方法，包括下列步骤：使氧化石墨烯、自由基捕捉剂、水和成纤聚合物的单体混合，制得混合液；在惰性气氛中辐照所述混合液，获得纺丝液；将所述纺丝液纺丝，制得氧化石墨烯改性纤维。本发明专利技术解决了氧化石墨烯改性纤维及其制品后导电性能低的问题，利用该方法制得的氧化石墨烯改性纤维具有导电率高、质轻、抗静电、适用范围广等优点，并且制备方法无需引入还原剂、引发剂，降低了对环境的污染。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化石墨烯改性纤维及其制备方法和应用
本专利技术涉及化工领域，尤其是涉及一种氧化石墨烯改性纤维及其制备方法和应用。
技术介绍
导电纤维具有良好的导电性和耐久性，特别是在低湿度下仍具有良好的耐久抗静电性，当导电层达到一定厚度或导电成分达到一定比例后，就具有优良的电磁屏蔽功能，因此在工业、民用等领域有着很大的用途，例如电子、电力行业的导电网、导电工作服，医疗行业的电热服、电热绷带，航空、航天、精密电子行业的电磁屏蔽罩等方面。导电纤维的抗静电机理是使导电纤维之间产生电晕放电。电晕放电是一种很缓和的放电形式，当静电压达到一定的数值后，即产生无火花的电晕放电使静电消除。这种现象通常认为是织物中的导电纤维，在静电场的作用下，使周围的空气产生电离作用而形成正负离子，正负离子中的一种与织物所带静电荷相反而中和，另一种则与环境或大地中和，从而消除了静电。目前，导电纤维普遍存在加工成本较高，工艺亦较复杂等问题，这在一定程度上限制了导电纤维的生产，也限制了使用和普及，因此目前导电纤维主要应用于高科技领域，而应用于民用的品种还较少。随着人们生活水平的提高和对自身健康保护意识的增强，民用导电纤维的推广使用必然成为趋势，因此导电纤维的加工应向工艺简单、低成本的方向发展，而赋予普通纤维导电性是解决以上问题的途径之一。石墨烯是一种由碳原子按SP2杂化方式紧密排列形成的类似于蜂窝状结构的层状结构，因具有优良的导热、导电性能受到人们的广泛关注，被认为是改性纤维导电性能的选择之一。但由于石墨烯表面呈现惰性状态，与其它介质的相互作用弱，且石墨烯片与片之间存在较强的范德华力，极易发生团聚，很难在纤维内部或表面均匀分散，不能把石墨烯的优良性能充分保留在复合材料中。氧化石墨烯是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，氧化石墨烯在水中具有优越的分散性，可以替代石墨烯均匀分散在纤维中，但是由于氧化石墨烯的导电性比普通石墨还差，因此将氧化石墨烯直接添加到纤维中无法达到导电材料的要求。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种氧化石墨烯改性纤维的制备方法，所述的制备方法解决了氧化石墨烯改性纤维及其制品后导电性能低的问题，利用该方法制得的氧化石墨烯改性纤维具有导电率高、质轻、抗静电、适用范围广等优点。为了解决以上技术问题，本专利技术提供了以下技术方案：一种氧化石墨烯改性纤维的制备方法，包括下列步骤：使氧化石墨烯、自由基捕捉剂、水和成纤聚合物的单体混合，制得混合液；在惰性气氛中辐照所述混合液，获得纺丝液；将所述纺丝液纺丝，制得氧化石墨烯改性纤维。本专利技术主要通过混合、辐照和纺丝三步工序将氧化石墨烯与成纤聚合物键合在一起，同时通过辐射将氧化石墨烯还原，相当于在纤维内部连续性地包覆一层还原氧化石墨烯，从而赋予纤维导电性能。但本专利技术对纤维表面的改性区别于现有技术中的物理包覆，在本专利技术的工艺中需要克服以下难点：一、克服氧化石墨烯导电性差的问题：本专利技术通过自由基捕捉剂和辐照双重处理解决了该问题，辐照会使水电离出H·自由基、水合电子e-aq和OH·自由基，H·自由基和水合电子具有很强的还原作用，利用H·自由基和水合电子将氧化石墨烯还原为石墨烯，再利用自由基捕捉剂将OH·自由基去除。二、必须保证氧化石墨烯在纤维内部的连续性分布，从而使电流连续通过，真正实现导电。对于这一点，本专利技术通过辐照使氧化石墨烯表面生成多个自由基，多个自由基增加了氧化石墨烯与成纤聚合物及其单体之间的交联点，使氧化石墨烯在成纤聚合物分子层面上连续、均匀键合，即氧化石墨烯在纤维内部连续性分布。三、本专利技术在单体聚合过程中加入氧化石墨烯，使得氧化石墨烯能交联或包覆在分子内、分子间等多个维度上，从而在有机整体上提高了纤维的综合性能。另外，辐照还为聚合反应和交联反应提供了热量，促进氧化石墨烯和聚合物之间的交联反应及单体间聚合反应快速进行。本专利技术还有别于现有的纺丝之前引入石墨烯材料，本专利技术将聚合过程和氧化石墨烯的交联过程同时完成，即在辐照下同时发生了单体的聚合反应、单体与氧化石墨烯的交联以及聚合物与氧化石墨烯的交联。本专利技术采用以上工艺达到了以下目的：一是将两步反应合并为一步，节省了时间，提高了生产效率；二是氧化石墨烯在多个维度对纤维改性，包括单体上的交联、低聚物上的交联、高聚物上的交联等。本专利技术所用的原料——氧化石墨烯泛指任意方法制得的氧化石墨烯(名称定义参见石墨烯联盟标准T/CGIA001-2017)。本专利技术所述的成纤聚合物是指能制成纤维的合成高分子聚合物，不仅应具有形成纤维的能力，还必须在合适的溶剂中完全溶解，形成粘稠的浓溶液；或在升温下熔融转化为粘流态而不发生分解，以便进行溶液纺丝或熔体纺丝。例如，聚丙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚乙烯醇缩甲醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨基甲酸酯、聚氯乙烯或聚碳酸酯等，制成的纤维有丙纶、腈纶、维纶、氨纶、涤纶、氯纶等。本专利技术所述的单体可以是液态的或固态的。液态单体是指在常温下呈液态的单体，可以在辐照下直接聚合。固态单体在相应溶剂中溶解后形成流动的液体，也可以在辐照下发生聚合反应。即，优选地，所述单体为不溶于水的固态单体时，在所述混合液中还加入溶剂，溶解所述单体。本专利技术以上制备方法还可以进一步改进，例如：优选地，所述混合液中氧化石墨烯的浓度在30mg/mL以下，优选20mg/mL以下，更优选10-20mg/mL。氧化石墨烯的浓度可采用30mg/mL以下的任意值，例如30mg/mL、29mg/mL、28mg/mL、27mg/mL、26mg/mL、25mg/mL、24mg/mL、23mg/mL、20mg/mL、18mg/mL、15mg/mL、10mg/mL、8mg/mL、5mg/mL、1mg/mL、0.5mg/mL、0.1mg/mL等，其中优选的范围有20mg/mL以下，更优选10-20mg/mL或15-20mg/mL等。优选地，所述混合液中所述水的重量含量为30～100mg/mL，例如30mg/mL、40mg/mL、50mg/mL、60mg/mL、70mg/mL、80mg/mL、90mg/mL、100mg/mL。优选地，所述混合液中所述自由基捕捉剂的浓度为5-50mg/mL。优选地，所述自由基捕捉剂为醇、胺和酮中的一种或多种，例如醇，胺，酮，醇与胺的混合，醇与酮的混合，或胺与酮的混合，或醇、胺和酮三者的混合。其中，所述醇优选选自甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或多种；例如甲醇，乙醇，异丙醇，甲醇与乙醇的混合，甲醇与异丙醇的混合，乙醇与异丙醇的混合，或甲醇、乙醇和异丙醇三者的混合。所述胺优选选自乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺中的一种或多种，例如乙醇胺，二乙醇胺，三乙醇胺，乙醇胺与二乙醇胺的混合，乙醇胺与三乙醇胺的混合，乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺三者的混合；以上方案中，优选三乙醇胺。所述酮为丙酮或丁酮或两者的混合。优选的，所述成纤聚合物的单体与所述氧化石墨烯的重量比为90-100:3-10。在纺丝之前，并不是在单体混合溶液中加入的氧化石墨烯越多，导电性越好，经过考察，发现当成纤聚合物的单体与所述氧化石墨烯的重量比为90-100:3-10时，才能获得更好的协同效果，例如90:3、100:3、90:5、95:3、97:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化石墨烯改性纤维的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：使氧化石墨烯、自由基捕捉剂、水和成纤聚合物的单体混合，制得混合液；在惰性气氛中辐照所述混合液，获得纺丝液；将所述纺丝液纺丝，制得氧化石墨烯改性纤维。

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯改性纤维的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：使氧化石墨烯、自由基捕捉剂、水和成纤聚合物的单体混合，制得混合液；在惰性气氛中辐照所述混合液，获得纺丝液；将所述纺丝液纺丝，制得氧化石墨烯改性纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成纤聚合物为聚丙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚乙烯醇缩甲醛、聚氨基甲酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或聚碳酸酯；优选地，所述单体为不溶于水的固态单体时，在所述混合液中还加入溶剂，溶解所述单体。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合液中氧化石墨烯的浓度在30mg/mL以下，优选20mg/mL以下，更优选10-20mg/mL。4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述自由基捕捉剂为醇、胺和酮中的一种或多种；所述醇优选选自甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或多种；所述胺优选选自乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺中的一种或多种，优选三乙醇胺；所述酮优选为丙酮或丁酮或两者的混合。5.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述成纤聚合物的单体与所述氧化石墨烯的重量比为90-100:3-10；优选地，所述自...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金柱，梁蒙蒙，刘顶，
申请(专利权)人：山东省圣泉生物质石墨烯研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37