一种高强度石墨烯纤维及其制备方法技术

本发明专利技术属于石墨烯纤维技术领域，具体涉及一种高强度石墨烯纤维及其制备方法。高强度石墨烯纤维的制备方法为：将2.0

【技术实现步骤摘要】
一种高强度石墨烯纤维及其制备方法


[0001]本专利技术属于石墨烯纤维
，具体涉及一种高强度石墨烯纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯(Graphene)是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，具有优异的导电、导热性能，同时具有极高的机械强度和模量，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
[0003]氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是石墨或膨胀石墨粉经强氧化剂作用后借助超声、微波等方法得到的剥离产物，在氧化过程中，石墨原有的共扼结构被破坏，层间距发生明显增大，非极性的石墨烯片层上引入了大量的极性含氧官能团(羟基、羧基、羧基、环氧基)，有利于进一步化学改性，也促进了其在多种溶剂中的分散性，尤其在水中表现出良好的溶解性；同时由于其大的宽厚比(一般大于1000)，氧化石墨烯在水中会表现出液晶行为，即自发形成有序结构，利用氧化石墨烯溶液的液晶行为，并通过湿法纺丝和还原制备了完全由石墨烯构成的宏观纤维，证明了制备石墨烯纤维的可行性(Xu Z，Gao C.Nature Communications，2011，2:571.)。
[0004]专利技术专利CN102534869A中将氧化石墨烯分散液挤出到液氮中，经过冷冻干燥得到多孔纤维，还原后得到有序多孔石墨烯纤维，但此法使用了液氮和冷冻干燥，纤维疏松、孔尺寸非常大，纤维强度较低，而且生产效率低、难以连续化和规模化生产。石墨烯纤维的制备及其功能化已经成为当前研究的热点。但是，目前所报道的石墨烯纤维的力学强度仍然比较低，仍然有很大的提升空间，可以通过原料以及纺丝工艺的优化、后处理等方法制备出高强度的石墨烯纤维。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高强度石墨烯纤维及其制备方法，该石墨烯纤维具有较高的强度，良好的韧性、耐磨性和导电性，更能满足市场需求。
[0006]本专利技术为实现上述目的所采取的技术方案为：
[0007]一种高强度石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、将2.0
‑
5.0％氧化石墨烯水溶液和1.0
‑
3.0％改性聚乙烯醇水溶液按重量比1:1加入到玻璃瓶中，搅拌0.5
‑
1h混合均匀得到纺丝原液；所述改性聚乙烯醇的结构式为：
[0009][0010]S2、将纺丝原液通过孔径为40μm
‑
1mm的喷丝板，以10
‑
90mL/h的速度挤出，进入凝固浴中固化成纤维，经卷绕、干燥得到氧化石墨烯复合纤维；所述凝固浴为含有5
‑
10％氯化钙、10
‑
90％乙醇或甲醇的水溶液，优选凝固浴为含有5％氯化钙、90％乙醇的水溶液；
[0011]S3、将氧化石墨烯复合纤维浸渍于0.05
‑
0.1M的胺类化合物水溶液中0.5
‑
1h，然后在甲醇中浸渍0.5h，洗涤干燥后得到处理后的氧化石墨烯复合纤维，发生反应的反应式为：
[0012]式中R为碳原子数2
‑
6的直链或支链烷烃；其中氧化石墨烯(GO
‑
COOH)普遍接受的结构模型是在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则引入了羧基和羰基，具体结构式为：
[0013]优选R为碳原子数2的直链烷烃，此时胺类化合物为乙二胺，发生反应的反应式为：
[0014][0015]S4、将处理后的氧化石墨烯复合纤维置于还原剂中，在40
‑
100℃温度下还原4
‑
10h，洗涤干燥后得到高强度石墨烯纤维；所述还原剂为氢碘酸、氢溴酸、水合肼、硼氢化钠中的任意一种或几种混合，优选还原剂为氢碘酸。
[0016]按上述方案，其中步骤S1中所述改性聚乙烯醇的制备方法为：将聚乙烯醇加入到水溶液中，加热至70
‑
80℃，搅拌溶解，再依次加入碱和对氯苯甲醛，继续反应6
‑
10h生成中间体1；所述碱为N,N
‑
二异丙基乙胺、吡啶、三甲胺、三乙胺、异丙胺中的任意一种或几种混合，优选碱为N,N
‑
二异丙基乙胺；中间体1再经过氧化剂氧化得到改性聚乙烯醇；所述氧化剂为双氧水或氧气，氧化温度为25
‑
40℃，氧化时间为12
‑
24h，优选氧化剂为氧气，氧化温度为40℃，氧化时间为24h；改性聚乙烯醇的合成路线为：
[0017][0018]本专利技术提供了一种高强度石墨烯纤维，经由上述一种高强度石墨烯纤维的制备方法制得。
[0019]聚乙烯醇具有良好的拉丝性能，可塑性比较强，其结构中含有大量的亲水基团羟基，水溶性较好，以聚乙烯醇为原料经过纺丝制成的聚乙烯醇纤维具有耐酸碱、耐磨、可降解、水溶、耐腐耐候和防霉防虫等突出的优点，但存在力学性能差的缺点。利用聚乙烯醇结构中羟基容易发生反应的特性，对其进行改性，引入具有刚性的苯环基团，改变了聚乙烯醇分子链可以任意自由旋转的柔性特点，使之具有刚性，分子链难以旋转，从而增加了韧性，力学性能得到很好地改善；同时为了保留聚乙烯醇的亲水性，还引入了亲水基团羧基，使使之具有较好的水溶性，便于后期加工纺丝；改性聚乙烯醇在保留聚乙烯醇诸多优点的同时，还具有良好的力学性能。
[0020]本专利技术将氧化石墨烯水溶液与改性聚乙烯醇水溶液混合进行纺丝，得到氧化石墨烯复合纤维，再对其进行处理，使复合纤维中的氧化石墨烯和改性聚乙烯醇通过胺类化合物形成的酰胺键相连，所形成的酰胺化学键，具有良好的稳定性，还能赋予纤维制品良好的光泽性；使复合纤维更容易通过分子间氢键或者偶极矩的相互作用，增强了复合纤维分子间的结合力，从而使纤维分子之间结合的更加紧密、牢固，还原后能够得到强度较高的石墨烯纤维，克服了单一氧化石墨烯纤维经还原后得到的石墨烯纤维疏松、强度较低的缺点。
[0021]本专利技术具有如下有益效果：本专利技术通过结构修饰得到了具有良好水溶性和力学性能的改性聚乙烯醇，并通过胺类化合物形成的酰胺键连接改性聚乙烯醇与氧化石墨烯，使氧化石墨烯复合纤维分子间具有较强的结合力，从而还原后得到高强度的石墨烯纤维；本专利技术提供的一种高强度石墨烯纤维及其制备方法，所制得的石墨烯纤维具有较高的强度，良好的韧性、耐磨性和导电性，更能满足市场需求。
具体实施方式
[0022]下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的
实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0023]聚乙烯醇CAS号9002
‑
89
‑
5；N,N
‑
二异丙基乙胺CAS号7087
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将2.0
‑
5.0％氧化石墨烯水溶液和1.0
‑
3.0％改性聚乙烯醇水溶液按重量比1:1加入到玻璃瓶中，搅拌0.5
‑
1h混合均匀得到纺丝原液；所述改性聚乙烯醇的结构式为：S2、将纺丝原液通过孔径为40μm
‑
1mm的喷丝板，以10
‑
90mL/h的速度挤出，进入凝固浴中固化成纤维，经卷绕、干燥得到氧化石墨烯复合纤维；S3、将氧化石墨烯复合纤维浸渍于0.05
‑
0.1M的胺类化合物水溶液中0.5
‑
1h，然后在甲醇中浸渍0.5h，洗涤干燥后得到处理后的氧化石墨烯复合纤维，发生反应的反应式为：式中R为碳原子数2
‑
6的直链或支链烷烃；S4、将处理后的氧化石墨烯复合纤维置于还原剂中，在40
‑
100℃温度下还原4
‑
10h，洗涤干燥后得到高强度石墨烯纤维。2.根据权利要求1所述的一种高强度石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述改性聚乙烯醇的制备方法为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：周迎春，
申请(专利权)人：浙江莹隆纤维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：