一种多层石墨烯纤维纸及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多层石墨烯纤维纸及其制备方法，该制备方法首先在无纺布上沉积一层氧化石墨烯，通过射频磁控溅射技术还原氧化石墨烯表面的含氧功能团并阻断石墨烯表面的亲水基团，同时射频磁控溅射过程中在石墨烯表面形成密集的小凹坑，增大石墨烯的比表面积；通过多次重复，形成多层石墨烯，最终制备出具有疏水特性的多层石墨烯纤维纸；形成的石墨烯层之间具有一定的间距，增加吸附的立体存储空间，多次制备石墨烯薄膜能够增加薄膜的韧性和可折叠性，便于携带与应用。

A Multilayer Graphene Fiber Paper and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种多层石墨烯纤维纸及其制备方法
本专利技术属于油水分离及吸附
，具体涉及一种多层石墨烯纤维纸及其制备方法。
技术介绍
海洋占了地球71％的表面积，为人类提供了丰富的资源，海洋污染已严重威胁人类的生存和生态环境的健康，而溢油是人类污染海洋的主要形式之一。溢油事故主要来源于石油开采平台设施的破裂，船舶运输过程中的翻船、搁浅、储油和输油设施的破损等。虽然漏油事故属于偶发性事故，但是每次泄露的量大则上百万吨，小也有几万吨。吸油材料作为物理法处理漏油的一种是处理海洋溢油的最早手段之一，是一种简单有效的环保方法，优点是原材料丰富、使用安全、价格低廉、见效快、可多次使用。目前吸油材料的发展越来越受到重视，如何高效的将油水进行分离在环境保护和油气回收再利用等方面具有非常重大的意义。油水分离材料作为一个已有很长历史的研究领域，人们为了达到油水分离的效果已经开发了很多传统的方法，如重力分离，离心，超声分离，曝晒，电场分离，混合沉淀和生物富集等。这些物理的、化学的和生物的方法均已在油水分离中得到了广泛应用，并在大多数情况下通过几种方法结合可以达到油水分离的需求。然而，传统方法不仅分离效率低下，还具有占地面积大及可能造成二次污染等缺陷，这促使人们开发了一系列更有效率的方法。石墨烯材料具有疏水的表面润湿性及很高的理论比表面积，在制备油水分离材料方面具有一定的应用潜力。近两年来，已有多孔石墨烯基材料和海绵状的石墨烯材料等用于吸油材料的制备方面的报道。石墨烯海绵在清除石油产品及有毒有机溶剂的表现上远远超过所使用的传统吸附剂，然而，由于石墨烯并不具备超疏水的表面润湿性能，以上这些材料在吸收油相液体的同时也会吸收部分水相液体，这一选择性不佳的特点限制了其在油水分离过程中的实际应用，降低了使用效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多层石墨烯纤维纸及其制备方法；该方法通过射频磁控溅射技术还原氧化石墨烯表面的含氧功能团并阻断亲水基团，形成多层石墨烯纤维纸，利用石墨烯超大比表面和特殊的小凹坑微结构，使得油能够通过整个多层石墨烯纤维纸表面及侧面进入到石墨烯纤维纸中，起到超强油吸附的作用。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种多层石墨烯纤维纸的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将预处理后的氧化石墨烯粉末在去离子水中超声分散并离心分离，形成前驱液；步骤2，通过真空抽滤在无纺布上制备一层氧化石墨烯，最终形成带有氧化石墨烯薄膜的无纺布；步骤3，通过射频磁控溅射在带有氧化石墨烯薄膜的无纺布上沉积ZnO薄膜，同时沉积过程中将氧化石墨烯还原为石墨烯，制得带有ZnO薄膜和石墨烯薄膜的无纺布，结构为无纺布上附着有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上附着有ZnO薄膜；步骤4，通过醋酸溶液清洗带有ZnO薄膜和石墨烯薄膜的无纺布，去除ZnO薄膜，得到带有一层石墨烯薄膜的无纺布；步骤5，重复步骤2、步骤3和步骤4，形成多层石墨烯纤维纸。本专利技术的进一步改进在于：优选的，步骤1中，氧化石墨烯粉末预处理的过程为：将氧化石墨烯原液真空抽滤后得到氧化石墨烯，然后超声分散得到氧化石墨烯的初步超声分散液，通过盐酸溶液清洗氧化石墨烯的初步超声分散液，再用去离子水清洗直至初步超声分散液的pH值为中性，将清洗后的氧化石墨烯初步超声分散液抽滤并真空干燥处理后，得到氧化石墨烯粉末。优选的，步骤1中，前驱液中氧化石墨烯的浓度为0.1-0.5mg/mL。优选的，步骤2中，通过真空抽滤在无纺布上沉积一层氧化石墨烯后，将沉积有氧化石墨烯的无纺布真空干燥处理后，形成带有氧化石墨烯薄膜的无纺布。优选的，步骤3中，溅射靶材为ZnO靶，ZnO靶中ZnO纯度≥99.995％。优选的，步骤3中，溅射过程的工作压力为1.2Pa，溅射气体为氩气。优选的，步骤3中，溅射过程，靶材和带有氧化石墨烯薄膜的无纺布之间的距离为5-8cm。优选的，步骤3中，溅射功率为50-300W，溅射温度为20-30℃。优选的，步骤3中，溅射过程中，溅射区域的等离子体的体积为10-4m3；在溅射区域内的电子总数大于1012个。优选的，所述多层石墨烯纤维纸包括无纺布基底，无纺布基底上附着有多层石墨烯薄膜；每一层的石墨烯薄膜上有若干个凹坑，形成储油室的微结构。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种多层石墨烯纤维纸的制备方法，该制备方法首先在无纺布上沉积一层氧化石墨烯，通过射频磁控溅射技术还原氧化石墨烯表面的含氧功能团并阻断亲水功能团，在其表面形成稳定的疏水C＝O功能团，完成氧化石墨烯的还原，同时射频磁控溅射过程中在石墨烯表面形成密集的小凹坑微结构，增大石墨烯的比表面积和提高储油率；通过多次重复，形成多层石墨烯，最终制备出具有憎水特点的多层石墨烯纤维纸；形成的石墨烯层之间具有一定的间距，增加吸附的立体存储空间，多次制备石墨烯薄膜和柔韧的纺布基底能够增加薄膜的韧性和可折叠性，便于携带与应用。进一步的，氧化石墨烯粉末在形成前驱液前，先进行预处理，以去除氧化石墨烯粉末表面无用的杂质金属离子；且氧化石墨烯和无纺布的结合更牢固，使得能够将整个多层石墨烯在无纺布上形成。进一步的，通过控制前驱液中氧化石墨烯的浓度，能够控制最终形成的单层石墨烯薄膜的厚度，浓度越大，薄膜越厚。进一步的，溅射靶材为ZnO靶材，溅射气体为氩气，借助Ar+的这种高能离子轰击处理掉纤维布上的氧化石墨烯表面存在的绝大部分的羟基和羧基功能团，在其表面形成稳定的疏水C＝O功能团，同时在石墨烯薄膜的表面将形成许多小型凹坑结构，可以增加油吸附过程中的储油效率和吸附效率。进一步的，通过调整溅射功率能够控制等离子区域内氩气电离量，提高氩离子的能流密度，进一步提高氧化石墨烯表面功能团的处理效率，即控制每一层氧化石墨烯被还原的程度；功率越大，则电子数量和轰击能量越大，使得石墨烯薄膜的还原度增强。本专利技术还公开了一种多层石墨烯纤维纸，该多层石墨烯纤维纸包括无纺布基底，无纺布基底上附着有多层石墨烯薄膜；每一层的石墨烯薄膜上有密集的小型凹坑；该多层石墨烯纤维纸借助石墨烯大的比表面积和优异的力学性能，使得在使用过程中，油能够从石墨烯表面及侧面进入到整个多层石墨烯纤维纸中被吸附；因石墨烯表面没有亲水基团，使得该多层石墨烯在吸附油的同时不会吸附水，能够达到油水分离的效果；石墨烯表面的憎水功能团C＝O的作用不会使得油汽分子与石墨烯反应形成新的化学反应，阻断了后期油水分离检测过程中的化学反应，方便饱和吸附后的脱附和后期回收以及重复利用率；且该石墨烯基三维纤维纸，因为底部为无纺布，使得该石墨烯依托于具有较好延展性和柔性的纤维基材料，具有优异的可压缩性，因此可以采用挤压、离心等方法回收吸附的油离子，实现多次循环使用；吸附过程不需要化学试剂，并且环境友好。【附图说明】图1为本专利技术的石墨烯纤维纸的制备流程及油吸附示意图；图2为本专利技术的磁控溅射石墨烯薄膜表面微型凹坑吸附结构的扫描电子显微镜形貌图；图3为石墨烯纤维纸储油层断面结构的扫描电子显微镜形貌。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述，本专利技术公开了一种多层石墨烯纤维纸及其制备方法；参见图1，该制备方法具体包括以下步骤：步骤1，由天然石墨粉通过改进的Hummers方法制备出氧化石墨烯原液，氧化石本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层石墨烯纤维纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将预处理后的氧化石墨烯粉末在去离子水中超声分散并离心分离，形成前驱液；步骤2，通过真空抽滤在无纺布上制备一层氧化石墨烯，最终形成带有氧化石墨烯薄膜的无纺布；步骤3，通过射频磁控溅射在带有氧化石墨烯薄膜的无纺布上沉积ZnO薄膜，同时沉积过程中将氧化石墨烯还原为石墨烯，制得带有ZnO薄膜和石墨烯薄膜的无纺布，结构为无纺布上附着有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上附着有ZnO薄膜；步骤4，通过醋酸溶液清洗带有ZnO薄膜和石墨烯薄膜的无纺布，去除ZnO薄膜，得到带有一层石墨烯薄膜的无纺布；步骤5，重复步骤2、步骤3和步骤4，形成多层石墨烯纤维纸。

【技术特征摘要】
1.一种多层石墨烯纤维纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将预处理后的氧化石墨烯粉末在去离子水中超声分散并离心分离，形成前驱液；步骤2，通过真空抽滤在无纺布上制备一层氧化石墨烯，最终形成带有氧化石墨烯薄膜的无纺布；步骤3，通过射频磁控溅射在带有氧化石墨烯薄膜的无纺布上沉积ZnO薄膜，同时沉积过程中将氧化石墨烯还原为石墨烯，制得带有ZnO薄膜和石墨烯薄膜的无纺布，结构为无纺布上附着有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上附着有ZnO薄膜；步骤4，通过醋酸溶液清洗带有ZnO薄膜和石墨烯薄膜的无纺布，去除ZnO薄膜，得到带有一层石墨烯薄膜的无纺布；步骤5，重复步骤2、步骤3和步骤4，形成多层石墨烯纤维纸。2.根据权利要求1所述的一种多层石墨烯纤维纸的制备方法，其特征在于，步骤1中，氧化石墨烯粉末预处理的过程为：将氧化石墨烯原液真空抽滤后得到氧化石墨烯，然后超声分散得到氧化石墨烯的初步超声分散液，通过盐酸溶液清洗氧化石墨烯的初步超声分散液，再用去离子水清洗直至初步超声分散液的pH值为中性，将清洗后的氧化石墨烯初步超声分散液抽滤并真空干燥处理后，得到氧化石墨烯粉末。3.根据权利要求1所述的一种多层石墨烯纤维纸的制备方法，其特征在于，步骤1中，前驱液中氧化石墨烯的浓度为0.1-0.5mg/mL。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁继军，陈海霞，傅海威，李辉栋，刘颖刚，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61