[发明专利]一种自着色石墨烯纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种自着色石墨烯纤维及其制备方法和应用。本发明提供一种具有核壳结构的彩色导电纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)制备氧化石墨烯分散液；2)制备自着色聚氨酯；3)制备自着色聚氨酯纺丝液；4)同轴湿法纺丝制备自着色石墨烯纤维。本发明所述方法以氧化石墨烯为核层结构，以具有鲜艳颜色的柔性可湿法纺丝的聚氨酯作为壳材结构，从而实现在还原氧化石墨烯的情况下使得获得的纤维具有鲜艳的颜色，同时具备优异的电学性能和力学性能。

技术领域

本发明涉及纤维加工技术领域，特别涉及一种自着色石墨烯纤维及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，石墨烯纤维的研究主要集中在改善材料的力学性能和电学性能上，其他功能特性的增强相对被忽视。值得注意的是，石墨烯基纤维大多是裸露的，它们用作电极时，容易相互接触发生短路。将它们编织成智能纺织品和可穿戴设备时，实际应用受到限制。而且大都石墨烯基纤维均为深黑色，综合评述石墨烯纤维颜色的相关研究较少。并且从石墨烯本身改变颜色是不易实现的目标，因为石墨烯表面上染料分子的接枝会影响石墨烯的基本性质，例如导电性和机械性能。因此，开发具有彩色核壳结构的石墨烯纤维是制备彩色石墨烯纤维的可用方法且能扩展石墨烯基纤维在彩色可穿戴纺织品上的应用价值和广度。蒽醌类染料一种全色谱多色系的染料，因其色泽鲜艳、固色率高、色牢度好而成为重要的染料，但蒽醌中间体(可以进行石墨烯纤维染色，但是这样染色会出现牢度不好的情况，容易被洗脱落)大多为芳香族化合物，具有稳定的共轭结构，结构复杂，不易降解，具有潜在的毒性。由于染料的特殊性质，染料产生的废水不仅有机组分含量高，不易被氧化，生化性能差，化学需氧量高，而且色度高，成分复杂，毒性大而受到一定的限制。

目前广泛采纳的一种方法是通过同轴纺丝制备具有皮芯结构的着色石墨烯纤维，其中，芯层选取石墨烯作为填充材料使得纤维具有良好的导电性能，外层则为具有较强弹性的聚合物提供保护作用，外层的聚合物中掺杂染料或者对于纤维进行二次加工使其获得颜色。这样的聚合物外层由于其出色的耐溶剂效应、柔韧性、易加工和出色的弹性而使得纤维整体具有良好的柔性和可拉伸性，另外，聚合物外层能够提供将纤维芯层的导电填料石墨烯很好的封装起来，使其不易泄露，同时具有绝缘的作用，保证导电性能的同时赋予纤维安全的工作可能，但是，聚合物表面的染料就会因为亲和力作用使得在经过水洗的时候具有较差的牢度，这也是目前需要解决的问题。

目前的芯层选用石墨烯作为导电填料。但是其本身分散性较差，一般选用具有液晶行为的氧化石墨烯分散液，但是这会带来氧化石墨烯分散液还原困难的问题，因此，开发能够解决外层染料牢度问题并能对内层的氧化石墨烯进行充分的还原的纤维就显得十分必要，此外，需要纤维具有很好的导电性和弹性和强力等性能，才能面对复杂多变的环境，适应智能可穿戴的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种自着色石墨烯纤维及其制备方法和应用。本发明以双羟基类蒽醌中间体作为一种封端剂得到自着色高分子聚氨酯染料，以氧化石墨烯(GO)纺丝液为内层，高分子染料的溶液为外层通过同轴湿法纺丝的方法，一步法得到具有核壳结构的氧化石墨烯(GO)纤维，再通还原剂还原，制备具有核壳结构的有色石墨烯纤维，本发明制备的自着色石墨烯纤维具有良好的导电性和传感性能，自着色的高分子染料具有良好的稳定性和环保性，在智能可穿戴领域具有潜在的应用。

本发明的技术方案如下：

本发明要解决的问题是提供一种具有核壳结构的彩色导电纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)将浓硫酸与浓磷酸混合后，滴加到装有石墨和高锰酸钾的反应容器中，搅拌氧化，再将反应容器放置于水浴中，加入过氧化氢后静置长时间，期间容器里面不断搅拌，得到一定浓度的氧化石墨烯分散液。

2)将异佛尔酮二异氰酸酯与聚乙二醇混合，再加入催化剂在70～75℃下反应1.5～2h，然后加入二元醇反应2～2.5h，冷却至60～65℃，添加含羟基蒽醌中间体反应2～2.5h，得到自着色聚氨酯；