一种快速制备石墨烯纤维气凝胶的方法技术

本发明专利技术公开了一种将少量超高分子量聚合物作为添加剂加入到氧化石墨溶液中实现吹纺并将其用来快速制备石墨烯纤维气凝胶的方法。相比于传统的冻干法制备石墨烯纤维气凝胶，本方法直接利用吹纺直接将氧化石墨烯凝胶纤维喷入到减压高温密闭容器中，由于在该条件下凝胶纤维中的水分表面蒸气压急剧降低，能够快速挥发，从而得到纤维气凝胶。该方法过程简单，环保，高效，是一种制备石墨烯纤维气凝胶新方法。是一种制备石墨烯纤维气凝胶新方法。

【技术实现步骤摘要】
0.1Pa 以下，温度200℃以上的环境中，得到干燥定型的氧化石墨烯纤维气凝胶；所述氧化石墨烯-聚丙烯酸钠混合溶液中，氧化石墨烯的质量为所述聚丙烯酸钠的质量之比为1:1-3:1，例如该混合溶液中，氧化石墨烯浓度为7 mg/mL，所含聚丙烯酸钠浓度为3 mg/mL，分子量为3000万以上，能同时保证性能和纺丝效率。
[0007]进一步地，吹纺气流速度为500-600 m/min，在该吹纺速度下，能够有效保证纤维的连续高效性以及纤维直径均匀性。
[0008]在某些实施例中，还包括将所述氧化石墨烯纤维气凝胶进行还原，得到石墨烯纤维气凝胶。所述还原包括化学还原、热还原及其组合，通常的，化学还原可以采用水合肼、氢碘酸等，热还原的温度一般在1000℃以上。并且由于该氧化石墨烯纤维气凝胶之中聚合物的含量只占25-50 wt%，因此能够通过热分解除去并且保留完整的石墨烯纤维结构和性能。
[0009]将吹纺的纤维气凝胶喷入到一基底上，得到氧化石墨烯纤维团，这种纤维团具有疏松多孔结构和低密度高弹性。可用于抗冲击材料、吸附过滤、催化剂载体以及能量储存等。
[0010]本申请中，氧化石墨烯的质量与所述聚丙烯酸钠的质量之比为1:1-3:1，，这使得氧化石墨烯-聚丙烯酸钠混合纺丝液的拉伸比为850 %-1240 %，可以用来进行吹纺快速制备氧化石墨烯纤维气凝胶。吹纺所采用的同轴针头型号可以为18G25G,吹纺凝胶纤维直接进入到一个直径为20厘米的石英管内部。在石英管底部连接一真空泵抽真空，并在石英管外壁固定一加热套，对其进行加热，温度维持在280 ℃。在石英管内凝胶纤维快速干燥，不断堆积缠绕即得到氧化石墨烯纤维气凝胶。对所得到氧化石墨烯纤维气凝胶依次进行水合肼化学还原、1000℃热还原以及3000℃石墨化处理即得到石墨烯纤维气凝胶。
[0011]在某些优选的方案中，可以采用如下制备方法：（1）称取重均分子量在3000万以上的聚丙烯酸钠和氧化石墨烯溶液，混合形成纺丝液。
[0012]（3）将上述氧化石墨烯纺丝液转移到注射器当中进行吹纺，所采用同轴针头型号为18G25G,挤出流量为10-25 mL/h，气流速度为500-600 m/min。
[0013]（4）将上述吹纺形成的凝胶纤维直接喷入到一个直径为20厘米，长度为50厘米且两端带有橡胶密封塞的石英管内。同轴纺丝针头穿橡胶塞将氧化石墨烯凝胶纤维喷入到石英管内。
[0014]（5）将石英管另一端橡皮塞连接到真空泵，同时在石英管中间位置放置一个电加热套，温度控制在200℃以上。等到加热套温度升到200℃以上之后，打开真空泵，降低石英管内气压，经过连续收集，即可得到氧化石墨烯纤维搭接组成的气凝胶。
[0015]（6）将上述氧化石墨烯气凝胶放入干燥器中，并加入5 mL 60 wt.%水合肼，盖上干燥器盖子，并用凡士林将干燥器密封，然后放入到90℃烘箱当中蒸汽还原10小时即得到还原氧化石墨烯纤维气凝胶。
[0016]（7）将上述还原氧化石墨烯纤维气凝胶依次进行1小时的1000℃热还原以及3000℃石墨烯化处理即得到石墨烯纤维气凝胶。
[0017]本专利技术的有益效果在于：能够一步法快速高效制备石墨烯纤维气凝胶，相比于传统发泡法制备的纤维气凝胶，表现出高效率高环保的特性。制备的纤维气凝胶具有低密度、高孔隙率、自支撑等特性，是一种高效制备纤维气凝胶的新方法。
附图说明
[0018]图1 纺丝所用氧化石墨烯/聚丙烯酸钠混合溶液拉伸性能对比。
[0019]图2 为吹纺实物图。
[0020]图3 制备氧化石墨烯纤维的转置原理图。
[0021]图4 收集得到纤维气凝胶实物图。
[0022]图5 纤维气凝胶的电子显微镜放大图。
[0023]图6 纤维气凝胶低密度展示。
[0024]图7 经过3000℃处理后纤维截面。
具体实施方式
[0025]下面结合附图与实施例对本专利技术进行具体说明。
[0026]实施例1（1）将2 wt%氧化石墨烯水溶液与2 wt%，分子量为3000万的聚丙酸钠水溶液按照体积比1：1混合均匀，用去离子水稀释后，得到氧化石墨烯浓度为10 mg/mL，聚丙烯酸钠浓度为10 mg/mL的纺丝液，拉伸比为1240 %。
[0027]（2）将混合溶液放到除泡机中进行脱泡处理，然后利用5ml注射器挤出并经过同轴针头的内流道，挤出流量为15 mL/h。同轴针头内流道直径为160um，外流道直径为500um。
[0028]（3）将压缩空气通入同轴针头外流道，气体流速控制为600 m/min。
[0029]（4）将上述吹纺形成的凝胶纤维直接喷入到一个直径为20厘米，长度为50厘米且两端带有橡胶密封塞的石英管内。
[0030]（5）将石英管另一端橡皮塞连接到真空泵，同时在石英管中间位置放置一个电加热套，温度控制在280℃左右。等到加热套温度升到280℃之后，打开真空泵，降低石英管内气压至 0.1Pa 以下。
[0031]（6）启动气流辅助纺丝，经过20 min连续收集，即可得到总质量为50 mg的氧化石墨烯纤维气凝胶组成的纤维团气凝胶,如图6所示，其密度为 0.08 g/cm3。其中的氧化石墨烯纤维气凝胶直径10 um。
[0032]（7）将上述氧化石墨烯气凝胶放入干燥器中，并加入5 mL 60 wt%水合肼，盖上干燥器盖子，并用凡士林将干燥器密封，然后放入到90℃烘箱当中蒸汽还原10小时即得到还原氧化石墨烯纤维气凝胶。
[0033]（8）将上述还原氧化石墨烯纤维气凝胶依次进行1小时的1000℃热还原以及3000℃石墨烯化处理即得到石墨烯纤维气凝胶。测得其密度为0.03 g/cm3,孔隙率为98 %。
[0034]实施例2（1）将2 wt.%氧化石墨烯水溶液与0.5 wt.%，分子量为3800万的聚丙酸钠水溶液按1:1混合均匀，加水稀释后，得到氧化石墨烯浓度为10 mg/mL，聚丙烯酸钠浓度为2.5mg/mL的纺丝液，拉伸比为850 %。
[0035]（2）将混合溶液放到除泡机中进行脱泡处理，然后利用5ml注射器挤出并经过同轴针头的内流道，挤出流量为25 mL/h。同轴针头内流道直径为160um，外流道直径为500um。
[0036]（3）将压缩空气通入同轴针头外流道，气体流速控制为500 m/min。
[0037]（4）将上述吹纺形成的凝胶纤维直接喷入到一个直径为20厘米，长度为50厘米且
两端带有橡胶密封塞的石英管内。
[0038]（5）将石英管另一端橡皮塞连接到真空泵，同时在石英管中间位置放置一个电加热套，温度控制在280℃左右。等到加热套温度升到200℃之后，打开真空泵，降低石英管内气压至 0.1Pa 以下。
[0039]（6）启动气流辅助纺丝，经过20 min连续收集，即可得到总质量为48 mg的氧化石墨烯纤维气凝胶组成的纤维团气凝胶,其密度为 0.12 g/cm3。其中的氧化石墨烯纤维气凝胶的直径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速制备石墨烯纤维气凝胶的方法，其特征在于，该方法为：对氧化石墨烯-聚丙烯酸钠混合溶液进行吹纺，将吹纺的凝胶纤维喷入到真空度 0.1Pa 以下，温度200℃以上的环境中，得到干燥定型的氧化石墨烯纤维气凝胶；所述氧化石墨烯-聚丙烯酸钠混合溶液中，氧化石墨烯的质量与聚丙烯酸钠的质量之比为1:1-3:1，聚丙烯酸钠的分子量为3000万以上。2.根据权利要求1所述的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，张春晓，许震，刘森坪，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：