專利名稱：一種導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維，尤其涉及一種導(dǎo)電的，高強(qiáng)度，高韌性的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是一層由碳原子以Sp2雜化相連接而形成的二維材料。從2004年被英國的 A. K. Geim (K. S. Novoselov, et al. Science, 2004, 306, 666-669)發(fā)現(xiàn)至今已引起科學(xué)和工業(yè)界廣泛的關(guān)注。這種材料具有已知材料最高的強(qiáng)度(Science，2008, 321,385-388)，優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。以天然石墨為原料，石墨烯的批量生產(chǎn)可以通過化學(xué)氧化-還原法來實現(xiàn)(Tung, V. C·，et al. Nature Nanotechnol. , 2009, 4, 25 - 29)。這種方法生產(chǎn)出來的石墨烯已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種復(fù)合材料，從而增加材料的力學(xué)性能，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。但是迄今為止，這種石墨烯增強(qiáng)的復(fù)合材料僅僅局限于膜材料，尚未有報道 其可以應(yīng)用于其他形狀的材料領(lǐng)域。纖維作為一種常見的材料類型，廣泛的應(yīng)用于國防軍事和各種民用領(lǐng)域。石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維，可以通過少量的石墨烯的加入，從而實現(xiàn)纖維在力學(xué)，導(dǎo)電和導(dǎo)熱方面性能的較大提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)不足，提供一種導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法
導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法包括以下步驟
1)將I重量份的氧化石墨烯原料溶于50 5000重量份的溶劑，在I 50Hz的超聲浴中處理0. I I小時，得到氧化石墨烯分散液；
2)將I 1000重量份的聚合物溶解于20 4000000重量份的溶劑，得到聚合物溶液；
3)將步驟I)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的聚合物溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌0. I 48小時，加入I重量份還原劑，離心或者旋蒸處理，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從直徑為5 ΙΟΟΟμπι紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入凝固液中停留IS IOOh成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維。所述的溶劑為水、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇或乙二醇的一種或多種混合組成。所述的聚合物為聚乙烯醇、聚乙二醇、羥甲基纖維素、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚N-異丙基丙烯酰胺、聚酰胺、聚丙烯酰胺或聚苯乙烯中的一種或多種混合組成。所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、Na0H、K0H、氨水或氫碘酸。所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯的一種或多種混合組成。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果
O原料采用氧化石墨烯，原料易得、成本低；2)直接將氧化石墨烯和聚合物在溶液中進(jìn)行共混，不需要除氧，不需要加入催化劑等，整個過程極為簡單。3)采用溶液紡絲的方法制備了石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維，操作簡便；
4)制得的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維有著很好的強(qiáng)度和韌性；
5)制得的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維有著很好的的抗靜電性。


圖I是石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的數(shù)碼相機(jī)照片；
圖2(a)是石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維掃描電鏡照片；
圖2(b)是放大的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維掃描電鏡照片。
具體實施例方式導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法包括以下步驟
1)將I重量份的氧化石墨烯原料溶于50 5000重量份的溶劑，在I 50Hz的超聲浴中處理O. I I小時，得到氧化石墨烯分散液；
2)將I 1000重量份的聚合物溶解于20 4000000重量份的溶劑，得到聚合物溶液；
3)將步驟I)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的聚合物溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌O. I 48小時，加入還原劑，離心或者旋蒸處理，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從直徑為5 ΙΟΟΟμπι紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入凝固液中停留IS IOOh成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維。所述的溶劑為水、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇或乙二醇的一種或多種混合組成。所述的聚合物為聚乙烯醇、聚乙二醇、羥甲基纖維素、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚N-異丙基丙烯酰胺、聚酰胺、聚丙烯酰胺或聚苯乙烯中的一種或多種混合組成。所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、Na0H、K0H、氨水或氫碘酸。所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯的一種或多種混合組成。下面通過實施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述，本實施例只用于對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整均屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。實施例I
1)將I重量份的氧化石墨烯原料溶于50重量份的水，在IHz的超聲浴中處理O.I小時，得到氧化石墨烯分散液；
2)將I重量份的聚乙烯醇溶解于20重量份的水，得到聚乙烯醇溶液；
3)將步驟I)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的聚乙烯醇溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌O. I小時，加入I重量份肼，離心，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從直徑為5 μ m紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入丙酮中停留IS成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的聚乙烯醇纖維。經(jīng)過以上步驟，得到的聚乙烯醇纖維的直徑為3 5μπι，石墨烯片沿纖維的軸向排列。制備的石墨烯增強(qiáng)的聚乙烯醇纖維拉伸強(qiáng)度為200 500MPa，斷裂伸長率為1% 10%。實施例2
1)將I重量份的氧化石墨烯原料溶于5000重量份的N，N-二甲基甲酰胺，在50Hz的超聲浴中處理I小時，得到氧化石墨烯分散液；
2)將1000重量份的聚苯乙烯溶解于4000000重量份的N，N-二甲基甲酰胺，得到聚苯乙烯溶液；
3)將步驟I)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的聚苯乙烯溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌48小時，加入苯肼，旋蒸處理，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從直徑為IOOOym紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入氯化鈣水溶液中停留IOOh成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的聚苯乙烯纖維。
經(jīng)過以上步驟，得到的聚苯乙烯纖維的直徑為500 800 μ m，石墨烯片沿纖維的軸向排列。制備的石墨烯增強(qiáng)的聚苯乙烯纖維拉伸強(qiáng)度為50 lOOMPa，斷裂伸長率為1%
5% ο實施例3
1)將I重量份的氧化石墨烯原料溶于1000重量份的乙二醇，在40Hz的超聲浴中處理
O.5小時，得到氧化石墨烯分散液；
2)將20重量份的聚乙二醇溶解于1000000重量份的乙二醇，得到聚乙二醇溶液；
3)將步驟I)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的聚乙二醇溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌24小時，加入甲基肼，離心或者旋蒸處理，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從直徑為50 μ m紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入乙酸乙酯中停留30S成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的聚乙二醇纖維。經(jīng)過以上步驟，得到的聚乙二醇纖維的直徑為30 45 μ m，石墨烯片沿纖維的軸向排列。制備的石墨烯增強(qiáng)的聚乙二醇纖維拉伸強(qiáng)度為150 200MPa，斷裂伸長率為5% 10%。實施例4
1)將I重量份的氧化石墨烯原料溶于3000重量份的N，N-二甲基乙酰胺，在30Hz的超聲浴中處理40分鐘，得到氧化石墨烯分散液；
2)將10重量份的羥甲基纖維素溶解于200000重量份的N，N-二甲基乙酰胺，得到羥甲基纖維素溶液；
3)將步驟I)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的羥甲基纖維素溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌2小時，加入氫碘酸，離心，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從直徑為10 μ m紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入氫氧化鈉水溶液中停留I分鐘成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的羥甲基纖維素纖維。經(jīng)過以上步驟，得到的羥甲基纖維素纖維的直徑為5 9μπι，石墨烯片沿纖維的軸向排列。制備的石墨烯增強(qiáng)的羥甲基纖維素纖維拉伸強(qiáng)度為80 120MPa，斷裂伸長率為50% 100%ο實施例5
I)將I重量份的氧化石墨烯原料溶于4000重量份的乙醇，在40Hz的超聲浴中處理15分鐘，得到氧化石墨烯分散液；
2)將50重量份的聚丙烯酸溶解于3000000重量份的乙醇，得到聚丙烯酸溶液；
3)將步驟I)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的聚丙烯酸溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌10小時，加入氫碘酸，離心或者旋蒸處理，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從直徑為ΙΟΟμπι紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入四氫呋喃中停留Ih成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的聚丙烯酸纖維。經(jīng)過以上步驟，得到的聚丙烯酸纖維的直徑為50 80 μ m，石墨烯片沿纖維的軸向排列。制備的石墨烯增強(qiáng)的聚丙烯酸纖維拉伸強(qiáng)度為50 lOOMPa，斷裂伸長率為30% 50%。 實施例6
1)將I重量份的氧化石墨烯原料溶于100重量份的水和N，N-二甲基甲酰胺的混合溶液中(體積比為1:1)，在20Hz的超聲浴中處理45分鐘，得到氧化石墨烯分散液；
2)將500重量份的聚N-異丙基丙烯酰胺溶解于3000000重量份的水和N，N-二甲基甲酰胺的混合溶液中(體積比為1:1)，得到聚N-異丙基丙烯酰胺溶液；
3)將步驟I)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的聚N-異丙基丙烯酰胺溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌O. I 48小時，加入NaOH，離心或者旋蒸處理，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從直徑為200 μ m紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入四氫呋喃和乙酸乙酯的混合液(體積比為1:1)中停留0. 5h成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的聚N-異丙基丙烯酰胺纖維。經(jīng)過以上步驟，得到的聚N-異丙基丙烯酰胺纖維的直徑為100 180 μ m，石墨烯片沿纖維的軸向排列。制備的石墨烯增強(qiáng)的聚N-異丙基丙烯酰胺纖維拉伸強(qiáng)度為50 150MPa,斷裂伸長率為10% 40%。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法，其特征在于包括以下步驟 1)將I重量份的氧化石墨烯原料溶于50 5000重量份的溶劑，在I 50Hz的超聲浴中處理O. I I小時，得到氧化石墨烯分散液； 2)將I 1000重量份的聚合物溶解于20 4000000重量份的溶劑，得到聚合物溶液； 3)將步驟I)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的聚合物溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌O. I 48小時，加入I重量份還原劑，離心或者旋蒸處理，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從直徑為5 ΙΟΟΟμπι紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入凝固液中停留IS IOOh成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法，其特征在于所述的溶劑為水、N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇或乙二醇的一種或多種混合組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法，其特征在于所述的聚合物為聚乙烯醇、聚乙二醇、羥甲基纖維素、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚N-異丙基丙烯酰胺、聚酰胺、聚丙烯酰胺或聚苯乙烯中的一種或多種混合組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法，其特征在于所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、NaOH、Κ0Η、氨水或氫碘酸。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法，其特征在于所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯的一種或多種混合組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種導(dǎo)電的高強(qiáng)度的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維的制備方法。它包括以下步驟1)將氧化石墨烯原料溶于溶劑，超聲處理，得到氧化石墨烯分散液；2)將聚合物溶解于溶劑，得到聚合物溶液；3)將步驟1)得到的氧化石墨烯分散液加入到步驟2)得到的聚合物溶液中，邊攪拌邊加入，完全加入后繼續(xù)攪拌，加入還原劑，離心或者旋蒸處理，濃縮，轉(zhuǎn)入紡絲裝置中，從紡絲頭中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入凝固液中成型后收集到滾軸上，得到連續(xù)的石墨烯增強(qiáng)的聚合物纖維。本發(fā)明簡便、成本低、使用聚合物品種多，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)出來的纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能，并且具有較好的導(dǎo)電性，可用于電力傳輸，抗靜電織物，工程材料等領(lǐng)域。
文檔編號D01F1/09GK102828267SQ20121033168
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者高超, 寇亮 申請人:浙江大學(xué)