一种多功能的石墨烯改性无纺布及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多功能的石墨烯改性无纺布及其制备方法，通过选择特定DBP值的纳米炭黑以特定比例与还原氧化石墨烯复配，再和聚丙烯共混、熔喷后得到。不同DBP值的纳米炭黑在还原氧化石墨烯表面的不同区域分布，形成了独特的纳米复合结构，呈现出极佳的导电性，在加入聚丙烯后能有效提升无纺布的防静电性。同时，石墨烯的加入还可显著提升聚丙烯无纺布的远红外发射、防紫外、抗菌除螨等功效，可在家纺、地毯、服装、口罩、医疗护具等领域得到应用。

A multifunctional graphene modified nonwoven fabric and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种多功能的石墨烯改性无纺布及其制备方法
本专利技术属于无纺布领域，尤其涉及一种多功能的石墨烯改性无纺布及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是由碳原子组成的二维蜂窝状纳米材料，于2004年首次被发现。在石墨烯面内，碳原子均为sp2杂化，在面内形成六元环键接，并在垂直于层平面的方向形成贯穿全层的大π键，从而为电子传递提供了绝佳的条件。经研究人员测试发现，室温下石墨烯的载流子迁移率达到了15000cm2/(V·s)，是目前一直载流子迁移率最高的物质碲化铟的两倍以上，并且该载流子迁移率随温度变化较小，因此在导电材料、电子材料等领域有显著应用潜力。此外，石墨烯本身具有最高的导热率和力学强度，化学性能稳定，有一定的生物相容性，从而在诸多领域均有广阔应用潜力。然而，石墨烯的导电率与制备方法关系密切，目前虽然有多种多样的制备方法，但是在导电性上差异极大。如化学气相沉积法(CVD)所得石墨烯质量最好，然而产量很少，并且易于团聚，往往得到的是多层石墨烯粉体，分散性不佳，导电性与石墨接近，不利于实际使用。溶剂剥离法是能大规模制备石墨烯粉体的方法之一，然而需要借助分散剂和剪切作用，所得粉体导电率与理论值相差甚远。化学氧化还原法从石墨出发，通过氧化剂氧化剥离并还原制备石墨烯粉体，虽然产量高，但是由于石墨烯片内产生了缺陷，导电导热严重降低，即使经过还原也很难获得很高性能。将石墨烯与其他材料复合是平衡产品性能和工业化难度的一种有效手段，可通过不同材料的特点相结合，弥补彼此缺陷，达到最优性能的效果。其中导电碳材料具有廉价、导电性能好、分散效果佳等优势，能与石墨烯的高强度、高载流子迁移率、高比表面积和化学稳定性等优势相结合，实现协同效应。如专利201610076705.0提供了一种石墨烯复合导电粉体的制备方法，将石墨烯表面覆盖多吡啶化合物，在与导电碳材料相结合。但是该专利重点是解决石墨烯和导电碳材料如何连接的问题，对于怎样充分利用石墨烯本身性能的问题没有进行涉及。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的技术不足，提供一种多功能的石墨烯改性无纺布及其制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种多功能的石墨烯改性无纺布，由石墨烯改性聚丙烯纤维构成，石墨烯改性聚丙烯纤维至少包括还原氧化石墨烯、纳米炭黑和聚丙烯，纳米炭黑附着于还原氧化石墨烯的两面。纳米炭黑包含高DBP值纳米炭黑和低DBP值纳米炭黑，低DBP值纳米炭黑的添加量是高DBP值纳米炭黑的4～7倍(质量比)；纳米炭黑和还原氧化石墨烯质量比为10：0.4～2.4；纳米炭黑和还原氧化石墨烯在轮胎面胶中的总质量分数为1％～5％；高DBP值纳米炭黑的DBP值为360～400，低DBP值纳米炭黑的DBP值为200～280。进一步地，还原氧化石墨烯和纳米炭黑在聚丙烯中的总质量分数为1％～5％。一种多功能的石墨烯改性无纺布的制备方法，包括以下步骤：(1)将低DBP值纳米炭黑和高DBP值纳米炭黑按4～7：1的质量比混合均匀；(2)将10份步骤(1)所得混合炭黑加入50质量份氧化石墨烯的水分散液，通过乳化均质机进行分散，氧化石墨烯水分散液的质量浓度为1％～6％；(3)将步骤(2)所得分散液置于水热反应釜中，180℃下反应2h，冷却至室温后取出反应物干燥，得到石墨烯基复合添加剂。(4)将步骤(3)所得石墨烯基复合添加剂与聚丙烯切片预混，经过熔喷设备连续制备石墨烯改性无纺布，其中石墨烯基复合添加剂和聚丙烯的质量比为1～5:100。进一步地，所述步骤(1)中高DBP值纳米炭黑的DBP值为360～400，低DBP值纳米炭黑的DBP值为200～280。进一步地，所述步骤(2)中氧化石墨烯的横向尺寸为1-30μm，纵向尺寸为0.3～1.2nm，碳氧比为2.5到6之间。进一步地，所述步骤(3)中干燥方法为鼓风干燥、真空干燥、喷雾干燥、冷冻喷雾干燥、冷冻干燥、超临界干燥、红外干燥、微波干燥中的一种。本专利技术的有益效果在于：(1)巧妙设计了具有不同结构度纳米炭黑和还原氧化石墨烯的复合结构。首先，由于炭黑处于纳米级尺寸，在水相中，纳米炭黑会因范德华力作用和ππ共轭作用，选择性附着于氧化石墨烯表面，形成如图1所示的复合结构，再经水热处理后氧化石墨烯被还原，这一复合结构被保留下来。其次，低DBP值炭黑具有低结构度，即结构偏致密，多孔结构偏少，能附着于氧化石墨烯面内的缺陷处，提升氧化石墨烯的本征电导率，而高DBP值的炭黑具有更为伸展的微结构，空隙发达，在贴附于氧化石墨烯表面时会向外伸展，有助于界面电荷传递和导电网络的形成。本专利技术通过反复调整氧化石墨烯、高DBP炭黑和低DBP炭黑的配比，发现在特定配比下具有不同结构度的纳米炭黑和氧化石墨烯能产生意想不到的协同效应，使得最终产品的导电效果最好，在更低添加量下能使高分子材料具有防静电效果(表1)。在添加量为1～5wt％下即可将聚丙烯电阻率从1012～1014Ωm降低至103～105Ωm，而同类导电添加剂用量基本在10wt％以上，甚至达到50wt％以上。(2)石墨烯基复合添加剂还能赋予聚丙烯原本没有的性能(表1)，如远红外发射、抗菌除螨、防紫外等，可极大拓展产品应用范围，增加产品附加值。(3)制备方法简单易行，对设备要求很低，易于工业化生产。本方法所用设备主要为剪切机、水热釜和干燥设备，均为工业上非常常用的设备，可进行简单放大。石墨烯基复合添加剂的分散性好，可直接在常规熔喷设备上进行大规模生产，对原本工艺影响很小。(4)充分发挥了石墨烯和炭黑两者的优势。所用材料为氧化石墨烯和纳米炭黑，不加入其他任何非导电材料，通过纳米炭黑弥补还原氧化石墨烯表面的缺陷，同时改善界面电荷传导效果。石墨烯片起到形成导电网络的效果，实现电荷快速传递。此外，纳米炭黑阻隔了石墨烯片间堆叠，提高了材料整体分散效果。综上，利用本方法得到的多功能石墨烯改性无纺布具有制备简单，导电性能好，添加量少，分散性优异，耐用性好，成本低廉，易于放大等优势，相比传统传统导电添加材料具有显著优势，具有广阔的市场前景和应用价值。附图说明图1为石墨烯基复合添加剂的微观结构示意图，其中1为石墨烯片，2为石墨烯片内的缺陷，3为低DBP值纳米炭黑，4为高DBP值纳米炭黑。图2为石墨烯基复合添加剂的扫描电镜照片。图3为石墨烯基复合添加剂的粉体电导率测试图。图4为石墨烯改性无纺布的照片。具体实施方式如图1所示，本专利技术低DBP值纳米炭黑和高DBP值纳米炭黑按一定比例混合，再加入氧化石墨烯水分散液中，使纳米炭黑附着于石墨烯片表面，在乳化均质机中经高速剪切后，使得石墨烯片间和纳米炭黑之间的堆叠降低，从而获得更有分散性。最后置于水热反应釜中，在高温高压下，氧化石墨烯发生热还原，缺陷得到修复，大多数官能团脱除，使得石墨烯的电导率进一步提升。低结构度的炭黑起到修复缺陷，提升还原氧化石墨烯电导率的目的，高结构度的炭黑增大了石墨烯的有效比表面积，可在更低添加量下形成导电网络，并可进一步改善界面导电性能。由于纳米炭黑的覆盖，石墨烯片间的堆叠受阻，从而使得石墨烯基复合添加剂具有更好的分散性。将石墨烯基复合添加剂与聚丙烯共混、熔喷后，所得无纺布兼具防静电、远红外发射、抗紫外、抗菌除螨等功效。以下实施例中采用碳氧比为2.5～6的氧化石墨烯，经180℃水热反应后失重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能的石墨烯改性无纺布，其特征在于，由石墨烯改性聚丙烯纤维构成，石墨烯改性聚丙烯纤维至少包括还原氧化石墨烯、纳米炭黑和聚丙烯，纳米炭黑附着于还原氧化石墨烯的两面。纳米炭黑包含高DBP值纳米炭黑和低DBP值纳米炭黑，低DBP值纳米炭黑的添加量是高DBP值纳米炭黑的4～7倍(质量比)；纳米炭黑和还原氧化石墨烯质量比为10：0.4～2.4；纳米炭黑和还原氧化石墨烯在轮胎面胶中的总质量分数为1％～5％；高DBP值纳米炭黑的DBP值为360～400，低DBP值纳米炭黑的DBP值为200～280。

【技术特征摘要】
1.一种多功能的石墨烯改性无纺布，其特征在于，由石墨烯改性聚丙烯纤维构成，石墨烯改性聚丙烯纤维至少包括还原氧化石墨烯、纳米炭黑和聚丙烯，纳米炭黑附着于还原氧化石墨烯的两面。纳米炭黑包含高DBP值纳米炭黑和低DBP值纳米炭黑，低DBP值纳米炭黑的添加量是高DBP值纳米炭黑的4～7倍(质量比)；纳米炭黑和还原氧化石墨烯质量比为10：0.4～2.4；纳米炭黑和还原氧化石墨烯在轮胎面胶中的总质量分数为1％～5％；高DBP值纳米炭黑的DBP值为360～400，低DBP值纳米炭黑的DBP值为200～280。2.根据权利要求1所述的无纺布，其特征在于，还原氧化石墨烯和纳米炭黑在聚丙烯中的总质量分数为1％～5％。3.一种多功能的石墨烯改性无纺布的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将低DBP值纳米炭黑和高DBP值纳米炭黑按4～7：1的质量比混合均匀；(2)将10份步骤(1)所得混合炭黑加入50质量份氧化石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琛，韩燚，高超，
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