[发明专利]一种制备高伸长率石墨烯纤维的方法

说明书

本发明公开了一种高效制备高断裂伸长率的石墨烯纤维的方法。该方法如下：氧化石墨烯纺丝液通过纺丝喷头喷入凝固浴，得到初生的氧化石墨烯纤维，接着继续通过拉伸浴，待纤维充分塑化后对纤维进行充分的拉伸，之后再将纤维在凝固浴进行“负拉伸”，收集纤维，烘箱热定型，经过化学还原和高温热处理后得到高断裂伸长率的石墨烯纤维。本发明是一种制备高断裂伸长率的石墨烯纤维的方法，过程简单可控，用于制备具有规则褶皱的高断裂伸长率的石墨烯纤维。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，特别是一种增韧石墨烯纤维的方法，属于在现有石墨烯纤维的基础上，通过调节纤维褶皱提升纤维力学性能的方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学A.K.Geim教授课题组运用机械剥离法成功制备石墨烯。从结构上说，石墨烯(Graphene)是紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的 sp²杂化单层碳原子晶体，层内碳原子以共价键的形式连接，具有超高的强度(120 GPa)，因此以石墨烯作为源头材料构建特定结构的碳基材料，从而实现碳质功能材料纳米结构的设计和可控以及宏量地制备已经逐渐引起全球科学家的关注。

氧化石墨烯作为石墨烯的重要衍生物，因其易于宏量制备以及独特的溶液加工性，引起了工业界的关注。2011年Xu等报道了以氧化石墨烯液晶为基础，成功制备了氧化石墨烯纤维。近年来，通过设计取向结构，石墨烯纤维的强度逐渐提升，但其断裂伸长率始终很低，是典型的脆性材料。为拓展石墨烯纤维的应用，如智能织物等对纤维伸长率有很高要求的领域，迫切需要研制高伸长率的石墨烯纤维材料。

目前来看，现有的制备石墨烯纤维的方法主要基于液晶湿法纺丝。但是通过液晶湿法纺丝得到的初生氧化石墨烯纤维在凝固和干燥过程中难免引入不规则的褶皱等缺陷，这些褶皱最终在纤维内部起到应力集中的问题，因此得到的氧化石墨烯纤维性能较差。本申请旨在通过褶皱调控来实现较高的断裂伸长率。先将氧化石墨烯纤维进行塑化拉伸处理，使纤维内部片层完全沿着轴向排列，消除大褶皱后，紧接着让纤维再自由回缩以产生一些较为规则的小褶皱，从而产生了能抵抗脆断的规则褶皱结构，得到了高断裂伸长率的氧化石墨烯纤维。经过还原处理后即可得到高断裂伸长率的石墨烯纤维。

发明内容

为了克服上述现有的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种制备高断裂伸长率石墨烯纤维的方法。

本发明采用以下技术方案：一种高断裂伸长率石墨烯纤维的制备方法，包括如下过程：

(1)将氧化石墨烯的纺丝液挤入凝固浴，得到初生的氧化石墨烯纤维；该步骤中，可以采用的凝固浴为常规使用的凝固浴，包括乙醇、丙酮、异丙醇、乙酸、乙酸乙酯、甲醇、水、丙三醇、丙二醇、乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、五乙二醇、盐酸、有机胺等或其混合溶剂。

(2)将初生的氧化石墨烯纤维，将初生的氧化石墨烯纤维，继续牵引入放有拉伸浴中，浸泡后使得氧化石墨烯的层间距达到1.1-1.8nm；然后对纤维进行拉伸，拉伸率为30％，维持拉伸时间3-5s；该步骤中，拉伸浴为乙醇、丙酮、异丙醇、乙酸、乙酸乙酯、甲醇、水、丙三醇、丙二醇、乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、五乙二醇、盐酸、有机胺等或其混合，极性参数为0.3-0.75之间，对氧化石墨烯具有塑化的作用；经过塑化剂插层，氧化石墨烯的层间距会逐渐增加。随着层间距的增加，层间相互作用减少，宏观材料开始表现出塑性变形，当层间距在1.1-1.8nm的范围内时，塑性变形达到最佳效果。当层间距继续增加，由于层间相互作用太弱，导致氧化石墨烯层之间发生滑移，宏观纤维很容易断裂。

(3)将拉伸1.3倍后的纤维牵引入新的凝固浴，调节前后送丝机转速比使得拉伸倍数小于1，实现“负拉伸”。片层间的应力使氧化石墨烯片层在拉伸后平直排列的基础上生成新的具有一定规则排列的小褶皱；该负拉伸配合步骤2 的塑化拉伸，经过塑化拉伸后的氧化石墨烯纤维消除了不规则的大褶皱，“负拉伸”使塑化拉伸后氧化石墨烯平直排列的构象在自由状态下重新生成新的具有一定规则排列的小褶皱。