一种氧化石墨烯纤维及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种氧化石墨烯纤维及其制备方法，该氧化石墨烯纤维是以粘稠状的氧化石墨烯作为纺丝液，缺电子化合物的水溶液作为凝固液，通过湿法纺丝技术制备得到，其中氧化石墨烯片层上的大π键和缺电子基团形成π?π堆积作用，氧化石墨烯纤维的片层间距离比氧化石墨烯片层间增大；制备方法是：先制备浓缩氧化石墨烯水分散液，再配制缺电子化合物水溶液，最后通过湿法纺丝技术制备得到氧化石墨烯纤维。本发明制备方法操作简单，绿色环保，成本低廉，并且可以快速大量生产，制备的氧化石墨烯纤维具有良好的抗拉强度和稳定性，产品可广泛的应用推广。
【专利说明】
一种氧化石墨烯纤维及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于氧化石墨烯复合材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯纤维及其制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯中所有碳原子以SP2形式杂化形成六边形结构单元，同时每个碳原子中P轨道的未成键电子在整个体系内共轭，形成大JT键;这种结合方式使得石墨烯具有稳定的二维晶格结构、优异的力学性能、类金属的电传导能力、强的负载能力等。正因为石墨烯中具备大键，可以作为供电子基团和缺电子的基团形成J1-Ji堆积作用来制备氧化石墨烯纤维。
[0003]为了更好的应用石墨烯材料，人们通过不断的探索来寻找合适的加工方法。人们从稳定的石墨出发通过化学氧化法使石墨烯片层得以剥离形成氧化石墨烯，且在此过程中石墨烯片层上引入了新的官能团羟基、羧酸根、醚键等。通过这一氧化过程固态的石墨变成了氧化石墨烯水溶液，极大的方便了后续的氧化石墨烯复合材料的制备。目前氧化石墨烯纤维主要采用的是湿法纺丝的技术制备，其凝固液也是多种多样。有利用二价金属离子与氧化石墨烯片层上的官能团形成二价金属离子桥连作用原理制备氧化石墨烯纤维的。有利用碱性溶液如KOH溶液使氧化石墨烯迅速固化来制备氧化石墨烯纤维的。有利用氧化石墨烯片层上的官能团与胺类化合物形成共价键来制备氧化石墨烯纤维的。这些方法均未利用氧化石墨烯片层上的大键和缺电子的基团形成J1-Ji堆积作用来制备氧化石墨烯纤维。
[0004]因此，提出新的原理来制备氧化氧化石墨烯纤维需要更近一步的探索。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术的不足，本发明提供一种氧化石墨烯纤维及其制备方法，将氧化石墨烯注入到缺电子化合物水溶液中，利用氧化石墨烯片层上的大键和缺电子的基团形成π-π堆积作用来制备氧化石墨烯纤维。
[0006]本发明提出的技术方案是:
一种氧化石墨烯纤维，是以粘稠状的氧化石墨烯作为纺丝液，缺电子化合物的水溶液作为凝固液，通过湿法纺丝技术制备得到，其中氧化石墨烯片层上的大η键和缺电子基团形成π-π堆积作用，氧化石墨烯纤维的片层间距离比氧化石墨烯片层间增大。
[0007]所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤:
步骤I，将氧化石墨烯水分散液加热到450C?65°C，搅拌浓缩到粘稠状，得浓缩氧化石墨稀;
步骤2，配制浓度为0.00477mol/L?0.04770mol/L缺电子化合物水溶液；
步骤3，以缺电子化合物水溶液为凝固液，以步骤I得到的浓缩氧化石墨烯作为纺丝液，通过湿法纺丝技术制备氧化石墨烯纤维。
[0008]作为优选，所述步骤I中浓缩氧化石墨稀固含量为IOmg/mL?18mg/mL。
[0009]作为优选，所述步骤2中的缺电子化合物为1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐。[00?0]作为优选，所述步骤3中湿法纺丝技术中氧化石墨稀的挤出速度为0.3mL/min?0.8mL/min。
[0011]有益效果:
(I)本发明氧化石墨烯纤维的制备方法，操作简单，绿色环保，成本低廉，并且可以快速大量生产，可将此方法广泛应用到氧化石墨烯、石墨烯材料的改性等领域。
[0012](2)本发明制备的的氧化石墨烯纤维，具有良好的抗拉强度和稳定性，产品可广泛的应用推广。
【附图说明】
[0013]图1为实施例1的氧化石墨烯纤维截面的SEM图。
[0014]图2为实施例1的氧化石墨烯纤维侧面的SEM图。
[0015]图3为实施例1的氧化石墨烯纤维的XRD图谱。
[0016]图4为实施例1中的力学性能图。
【具体实施方式】
[0017]下面通过具体实施例对本发明作进一步详细介绍，但不局限于此。
[0018]实施例1
本实施例以1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐的水溶液为凝固液湿法纺丝制备纤维。
[0019]—种氧化石墨烯纤维，是以粘稠状的氧化石墨烯作为纺丝液，缺电子化合物的水溶液作为凝固液，通过湿法纺丝技术制备得到，其中氧化石墨烯片层上的大η键和缺电子基团形成JTi堆积作用，氧化石墨烯纤维的片层间距离比氧化石墨烯片层间增大。
[0020 ]所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤:
步骤I，以300um大小的石墨片层为原料，通过Hummers法制备出氧化石墨稀水分散液，取适量的氧化石墨烯水分散液于烧杯中，将此烧杯置于油浴锅中在搅拌的情况下45°C浓缩48h，使其固含量达到10mg/mL，作为纺丝液；
步骤2，取1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐50uL于50mL水中配制成浓度为0.00477mol/L的溶液，做为凝固液；
步骤3，利用湿法纺丝技术以缺电子化合物水溶液为凝固液制备纤维，具体地，用注射器吸入粘稠的氧化石墨烯纺丝液，通过注射器挤出纺丝液，所用针头的针嘴内径为0.5mm，挤出速度控制为0.3mL/min ；将氧化石墨稀纺丝液注入缺电子化合物水溶液的凝固液中，制备出氧化石墨烯纤维。
[0021 ]下面对制备的产物氧化石墨烯纤维进行测试分析。
[0022]如图1、图2所示，为实施例1产物氧化石墨烯纤维的SEM图，从图中我们可以看出，氧化石墨烯纤维的片层纹理清晰、均匀;从图中可以看出氧化石墨烯纤维的直径为35um，纤维截面显示石墨烯片层结合致密且氧化石墨烯片层相互折叠包裹而成，能很清楚的看出是片层-片层的结构。
[0023]如图3所示，分别做了氧化石墨烯(GO)和氧化石墨烯纤维的XRD图谱。从图中可以看出氧化石墨烯的XRD图谱横坐标在9.7左右，而氧化石墨烯纤维的XRD图谱横坐标在8.5左右。这说明氧化石墨烯纤维的片层间距离比氧化石墨烯片层间的距离增大了，这是由于氧化石墨烯纤维片层间存在缺电子化合物。缺电子化合物和氧化石墨烯片层的大键形成了π-π堆积作用从而形成了氧化石墨烯纤维。
[0024]如图4所示，对氧化石墨烯纤维进行力学性能测试，从S-S曲线图中可以看出氧化石墨烯纤维抗拉强度为387MPa。这说明通过31-31堆积作用制备氧化石墨烯纤维的拉力性能不输其他原理制备的氧化石墨烯纤维。此原理可以广泛应用于氧化石墨烯复合材料的改良方面。
[0025]实施例2
本实施例以1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐的水溶液为凝固液湿法纺丝制备纤维。
[0026]—种氧化石墨烯纤维，是以粘稠状的氧化石墨烯作为纺丝液，缺电子化合物的水溶液作为凝固液，通过湿法纺丝技术制备得到，其中氧化石墨烯片层上的大η键和缺电子基团形成JTi堆积作用，氧化石墨烯纤维的片层间距离比氧化石墨烯片层间增大。
[0027 ]所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤:
步骤I，以300um大小的石墨片层为原料，通过Hummers法制备出氧化石墨稀水分散液，取适量的氧化石墨烯水分散液于烧杯中，将此烧杯置于油浴锅中在搅拌的情况下65°C浓缩48h，使其固含量达到12mg/mL，作为纺丝液；
步骤2，取1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐10uL于50mL水中配制成浓度为0.00954mol/L的溶液，做为凝固液；
步骤3，利用湿法纺丝技术以缺电子化合物水溶液为凝固液制备纤维，具体地，用注射器吸入粘稠的氧化石墨烯纺丝液，通过注射器挤出纺丝液，所用针头的针嘴内径为0.5mm，挤出速度控制为0.5mL/min ；将氧化石墨稀纺丝液注入缺电子化合物水溶液的凝固液中，制备出氧化石墨烯纤维。
[0028]下面对制备的产物氧化石墨烯纤维进行测试分析，测试结果与实施例1类似，不同之处在于实施例2制备的氧化石墨稀纤维抗拉强度为400MPa。
[0029]实施例3
本实施例以1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐的水溶液为凝固液湿法纺丝制备纤维。
[0030]—种氧化石墨烯纤维，是以粘稠状的氧化石墨烯作为纺丝液，缺电子化合物的水溶液作为凝固液，通过湿法纺丝技术制备得到，其中氧化石墨烯片层上的大η键和缺电子基团形成JTi堆积作用，氧化石墨烯纤维的片层间距离比氧化石墨烯片层间增大。
[0031 ]所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤:
步骤I，以300um大小的石墨片层为原料，通过Hummers法制备出氧化石墨稀水分散液，取适量的氧化石墨烯水分散液于烧杯中，将此烧杯置于油浴锅中在搅拌的情况下50°C浓缩48h，使其固含量达到18mg/mL，作为纺丝液；
步骤2，取1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐500uL于50mL水中配制成浓度为0.04770mol/L的溶液，做为凝固液；
步骤3，利用湿法纺丝技术以缺电子化合物水溶液为凝固液制备纤维，具体地，用注射器吸入粘稠的氧化石墨烯纺丝液，通过注射器挤出纺丝液，所用针头的针嘴内径为0.5mm，挤出速度控制为0.8mL/min ；将氧化石墨稀纺丝液注入缺电子化合物水溶液的凝固液中，制备出氧化石墨烯纤维。
[0032]下面对制备的产物氧化石墨烯纤维进行测试分析，测试结果与实施例1类似，不同之处在于实施例3制备的氧化石墨稀纤维抗拉强度为350MPa。
[0033]显然，上述实施例1至3仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1.一种氧化石墨烯纤维，其特征在于，是以粘稠状的氧化石墨烯作为纺丝液，缺电子化合物的水溶液作为凝固液，通过湿法纺丝技术制备得到，其中氧化石墨烯片层上的大JT键和缺电子基团形成JTi堆积作用，氧化石墨烯纤维的片层间距离比氧化石墨烯片层间增大。2.权利要求1所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I，将氧化石墨烯水分散液加热到45 0C?65 0C，搅拌浓缩到粘稠状，得浓缩氧化石墨稀; 步骤2，配制浓度为0.00477mol/L?0.04770mol/L缺电子化合物水溶液； 步骤3，以缺电子化合物水溶液为凝固液，以步骤I得到的浓缩氧化石墨烯作为纺丝液，通过湿法纺丝技术制备氧化石墨烯纤维。3.根据权利要求书2所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤I中浓缩氧化石墨稀固含量为I Omg/ mL?18mg/ mL。4.根据权利要求书2所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的缺电子化合物为1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐。5.根据权利要求书2所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤3中湿法纺丝技术中氧化石墨稀的挤出速度为0.3mL/min?0.8mL/min。
【文档编号】D01D5/06GK106087114SQ201610476286
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】闵永刚, 张栋, 冯亚飞, 马寸亮, 申佳欣
【申请人】南京邮电大学