一種取向氧化石墨烯纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種取向氧化石墨稀纖維的制備方法，屬于石墨稀纖維材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯作為一種新型的二維材料自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，便得到人們的廣泛關(guān)注。通過CVD法或外延生長法制得的單層或多層石墨烯具有優(yōu)異的力學、電學、熱學性能，使得其在結(jié)構(gòu)材料、能源存儲器件、電子器件、感應器等領(lǐng)域都將具有極為廣泛的應用。
[0003]隨著時代不斷發(fā)展，各種纖維材料在人們的生產(chǎn)生活中成了必不可少的元素，如何將石墨烯片層組裝成宏觀的一維纖維材料，實現(xiàn)石墨烯在實際中的應用，是現(xiàn)階段人們需要面臨的挑戰(zhàn)。基于此，石墨烯的纖維材料的研究工作相繼展開。如CVD法或濕法紡絲法制備的基于石墨烯片層的碳納米管(CNT)纖維和碳纖維具有超高的機械性能和電學性能。而這兩種制備纖維的實驗條件都較為苛刻。采用濕法紡絲法制得石墨烯片層沿著軸向排列的基于石墨烯的纖維材料，與前兩種纖維的制備過程相比，實驗條件要溫和許多，而且其制備方法易于擴大生產(chǎn)，便于制備出大量的宏觀一維纖維材料。
[0004]為了進一步提高纖維性能，許多研究將提高纖維的取向度作為一種途徑，如紡絲過程中旋轉(zhuǎn)凝固液，使得纖維在成型過程中受到溶液的拉伸作用從而對纖維起到一定的拉伸效果，或者采用一步水熱法利用模板制備得到高取向的氧化石墨烯(GO)纖維，但都難以擴大到工業(yè)水平，限制了其實際應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)難以提供有效并可用于擴大生產(chǎn)的提高氧化石墨烯纖維的取向度，從而提高纖維的機械性能并實現(xiàn)實際應用的方法。
[0006]為此，本發(fā)明提供有效并可擴大生產(chǎn)的一種高機械性能取向氧化石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟:以片層石墨為原料制備氧化石墨烯，并配置氧化石墨烯紡絲液;通過濕法紡絲法氧化石墨烯紡絲液流入凝固液，制備出原生氧化石墨烯纖維;在一定溫度下，對氧化石墨烯纖維進行徑向拉伸和干燥，即獲得產(chǎn)品。
[0007]進一步地，所述一定溫度為40 °C?70 °C，所述干燥時間為5?48h。
[0008]具體地，所述石墨為可膨脹鱗片石墨，石墨的尺寸為300μπι?500μπι。
[0009]具體地，所述氧化石墨稀紡絲液的濃度為5mg/ml?20mg/ml。
[0010]進一步地，所述氧化石墨稀紡絲液濃度為5mg/ml?15mg/ml。
[0011]進一步地，所述氧化石墨烯紡絲液的溶劑為極性有機溶液、水溶液或極性有機溶液與水溶液的混合液。
[0012]具體地，所述極性有機溶液為甲醇、丙醇、丁醇、DMF、乙腈中的任意一種。
[0013]進一步地，所述凝固液為含有二價離子的鹽類水溶液、堿類水溶液、含有正電荷分子的水溶液或聚合物、胺類酒精溶液或胺類水溶液中的任意一種或多種的混合物。
[0014]具體地，所述凝固液為CaCl 2水溶液、CuSO4水溶液、NaOH水溶液、KOH水溶液、CTAB、殼聚糖中的任意一種或幾種的混合物。
[0015]作為優(yōu)選，所述濕法紡絲法的速度為0.3ml/min?0.8ml/min，所選用的紡絲針頭內(nèi)徑為0.25mm?1mm。
[0016]本發(fā)明的一種高機械性能取向氧化石墨烯纖維的制備方法具有以下優(yōu)點:
[0017](I)本發(fā)明的一種取向氧化石墨烯纖維的制備方法，通過以片層石墨制備的大片層的氧化石墨烯，并制備氧化石墨烯紡絲液，提高氧化石墨烯片層大小，使得片層在紡絲過程中實現(xiàn)更有效的堆置，提尚氧化石墨稀纖維的機械性能。
[0018](2)本發(fā)明的一種取向氧化石墨烯纖維的制備方法，采用濕法紡絲法，使得呈液晶相的氧化石墨烯紡絲液在剪切應力及凝固劑的作用下，自組裝形成原生氧化石墨烯纖維。
[0019](3)本發(fā)明的一種取向氧化石墨烯纖維的制備方法，通過將制得的原生氧化石墨烯纖維排列固定在拉伸裝置上，并在一定溫度下對纖維做拉伸處理，本發(fā)明突破性的發(fā)現(xiàn)施加一定溫度，能進一步加強層間的作用，有利于提高氧化石墨烯纖維的機械性能;且通過控制濕法紡絲的速度，控制拉伸速度，達到最優(yōu)拉伸效果，提高氧化石墨烯纖維的機械性會K。
[0020](4)本發(fā)明的一種取向氧化石墨烯纖維的制備方法，通過研究凝固液對氧化石墨烯纖維的機械性能的影響，發(fā)現(xiàn)當選用胺類作為凝固液體時還能促進凝固劑與氧化石墨烯片層上基團間的反應，提尚氧化石墨稀片層間的結(jié)合力，有利于提尚氧化石墨稀纖維的機械性能。
[0021 ] (5)本發(fā)明的一種取向氧化石墨烯纖維的制備方法，制備出的氧化石墨烯纖維取向好、機械性能高、且制備方法簡單及易于工業(yè)化生產(chǎn)，可廣泛應用于石墨烯纖維材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0022]圖1為實施例1中原生氧化石墨烯纖維SEM圖；
[0023]圖2為實施例1中取向氧化石墨烯纖維的SEM圖。
[0024]圖3為實施例1中的原生氧化石墨烯纖維和取向氧化石墨烯纖維的力學性能圖。
【具體實施方式】
[0025]實施例1
[0026]取向氧化石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟:以片層石墨為原料制備氧化石墨烯，并配置氧化石墨烯紡絲液;通過濕法紡絲法氧化石墨烯紡絲液流入凝固液，制備出原生凝膠氧化石墨烯纖維;在一定溫度下，對氧化石墨烯纖維進行徑向拉伸和干燥，即獲得產(chǎn)品O
[0027]氧化石墨烯的制備:稱取5g，300ym的可膨脹天然鱗片石墨，加入200mL濃硫酸和50mL發(fā)煙硝酸，在常溫下攪拌24h后將混合物緩慢倒入2L去離子水中，用直徑為90mm，孔徑為0.2um的纖維素膜抽濾并用去離子水洗滌兩遍，洗滌后在60°C下烘干24h。將干燥后的石墨在1000°C高溫下膨脹30s，得到膨脹石墨。加入200mL濃硫酸，13.2g K2S2O8和16.2g P2O5在80°C恒溫攪拌5h，將混合液倒入2L去離子水中，待冷卻到室溫，用直徑為90mm，孔徑為0.2um的纖維素膜抽濾并用去離子水洗滌兩遍，置于室溫下干躁48h。干燥后將其加入200mL濃硫酸中，冰浴下緩慢加入15g高錳酸鉀，充分攪拌，在35°C下反應5h，將混合液緩慢倒入2L去離子水中，等溶液冷卻至500C加入20mL 30%的過氧化氫溶液，至溶液變成淺黃色溶液。靜置I天，倒出上層澄清液，用去離子水離心洗滌2遍，lmol/L稀鹽酸溶液離心洗滌2遍，再用去離子水離心洗滌直至GO水溶液呈中性，得到大片層的氧化石墨烯溶液，即制得氧化石墨烯溶液。
[0028]紡絲液的制備:取制得的氧化石墨烯溶液200ml，置于油浴鍋中50°C下攪拌濃縮，得到濃度為8mg/ml的氧化石墨稀紡絲液。
[0029]苯胺凝固液的配制:配制質(zhì)量分數(shù)5%的苯胺酒精溶液作為凝固液。
[0030]原生氧化石墨烯纖維制備:利用機械注射栗，選用內(nèi)徑為0.43mm的紡絲針頭，通過注射栗推擠注射器將紡絲液以0.3ml/min的速度注入到凝固液中，形成原生氧化石墨烯纖維。
[0031]取向氧化石墨烯纖維的制備:將制得的原生凝膠氧化石墨烯纖維豎直排列固定在拉伸裝置上，在紅外燈輔助烘烤下，其中烘烤溫度控制在60°C左右，緩慢拉伸纖維，而后將纖維置于室溫下干燥5h得到取向氧化石墨烯纖維。
[0032]如圖1和圖2所示，分別對原生氧化石墨烯纖維和取向氧化石墨烯纖維進行進行掃描電子顯微鏡(SEM)測試，圖1的原生氧化石墨烯纖維，軸向氧化石墨烯片層的褶皺較明顯，取向度不高；而圖2經(jīng)過拉伸處理的氧化石墨烯纖維，氧化石墨烯片層在軸向呈現(xiàn)出較完美的取向排列性。
[0033]如圖3所示，分別對原生