一种通过大片层氧化石墨烯自组装制备石墨烯纤维的方法
【专利摘要】本发明公开了一种通过大片层氧化石墨烯自组装制备石墨烯纤维的方法。本发明技术方案包括：以石墨作为基本材料制成大片层氧化石墨烯，通过氧化石墨烯在凝固液中自组装形成石墨烯纤维。本发明通过调节凝固液的类型、氧化石墨烯的浓度来制备不同类型的石墨烯纤维。本发明制备的石墨烯纤维可以广泛应用于超级电容器、航空航天、新能源和土木建筑等领域。
【专利说明】一种通过大片层氧化石墨烯自组装制备石墨烯纤维的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石墨烯纳米材料【技术领域】，尤其涉及一种石墨烯纤维的制备方法。
【背景技术】
[0002]材料是人类赖以生存的物质基础，也是国民经济发展的基础产业。随着新技术的发展，对新材料不断提出新要求，这也促使了新材料的发展。这也就是说，市场的需求是新材料发展的驱动力，石墨烯纤维及其复合材料就是在新技术驱动下发展起来的新型材料。石墨烯纤维，顾名思义，具有碳石墨材料固有的本征特性又兼备纺丝纤维的柔软可加工性，是新一代增强性纤维。石墨烯自2004年被曼彻斯特大学的科学家发现以来，以其优异的机械性能，物理和化学性能已成为研究的热点，石墨烯二维平面结构可以做成零维的量子点，一维的纤维，二维的薄膜，三维立体结构，其超强的可塑性能令石墨烯在多个领域都有广泛的应用。
[0003]目前，市场最广泛使用的纤维为玻璃纤维和碳纤维，2005年，全球碳纤维市场仅为9亿美元，而2013年可望达到或超过100亿美元，预计到2022年有望达到400亿美元，碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。当前，全球碳纤维核心技术被牢牢掌控在少数发达国家手中。一方面，以美日为首的发达国家始终保持着对中国碳纤维行业严格的技术封锁；另一方面，国外碳纤维行业领先企业开始进入中国市场，中国本土碳纤维企业的压力大增。虽然我国政府加大了对国内碳纤维本土企业的引导和扶持力度，但在较大的技术差距下，国产碳纤维企业的突围之路仍然坎坷。
[0004]目前，石墨烯纤维处于实验室研发阶段，浙江大学高超课题组于2011年在Nature Communication 期干丨J上发表了一篇名为 Graphene chiral liquid crystals andmacroscopic assembled fibers的文章提出了石墨烯液相纺制石墨烯纤维；清华大学的石高全教授在Advance Materiels杂志上发表一篇名为Facile fabrication of light,flexible and multifunctional graphene fibers的文章,将氧化石墨烯涂覆在玻璃纤维上提高了石墨烯纤维的强度。但现在很多的文献中提到的由大片氧化石墨制备的石墨纤维方法，只是在氧化石墨达到一定的浓度后，在凝固液中简单的物理交联，制备的纤维的机械强度较弱。而本发明中通过利用凝固液种类的不同，通过化学键的作用，利用氧化石墨在凝固液中自组装形成纤维。在科学家们不断的努力下，石墨烯纤维的质量在不断的提升，并且有望在将来在使拉伸强度达到IOGPa和断裂伸长率达到5%左右，脆性得到改善，韧性得到增加，以期在航空航天和尖端军事工业及民用领域能够有更好的应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决现有技术的缺点和不足，提供了一种石墨烯纤维的制备方法，并通过调节凝固液的类型和石墨烯的浓度来制备不同类型的石墨烯纤维。
[0006]本发明提供的技术方案包括以下具体步骤:
1.大片层氧化石墨烯的制备(I)取一定量的石墨粉，加入相对于石墨粉用量300 Wt0^lOOO wt%的体积比为1:1~10:1的浓硫酸/浓硝酸混合液，之后加入60(Tl000ml的去离子水过滤、洗涤溶液，放入400C~100°C烘箱中烘干，再在50(T2000°C高温下膨胀5~50s，得到膨胀石墨。
[0007](2)在步骤(1)中制备的膨胀石墨中，加入180-1300ml浓硫酸，缓慢加入相对于石墨粉用量500 wt9T2000 wt%的氧化剂，在6(T200°C进行预氧化，待冷却到室温后用去离子水洗涤，在3(T80°C烘箱中烘干。在冰浴下，缓慢加入100_1500ml浓硫酸和9_25g高锰酸钾，充分搅拌后，在油浴锅中反应广5 h，用去离子水缓慢稀释混合液，再加入适量的过氧化氢溶液除去过量的高锰酸钾至溶液变成浅黄色，用一定量的lmol/L稀盐酸和去离子水洗涤、离心浅黄色溶液，使溶液呈中性，将GO置于截留分子量为8000-14000Da的透析袋中透析，再将溶液放在冻干机中冻干，即得到大片层带有氧化基团的石墨烯(GGO)。 [0008]上述步骤(2)中的氧化剂为浓硫酸、五氧化二磷、过硫酸钾、磷酸、浓硝酸、过硫酸铵、重铬酸钠、过硼酸钠、过硼酸钾、次氯酸钠、高铁酸钠中的一种或多种混合物。
[0009]2.石墨烯纤维的制备
将一定量的大片层氧化石墨烯(GGO)溶于去离子水中,超声使GGO均匀分散于水溶液中，配成浓度为5 mg/ml~50 mg/ml的氧化石墨烯溶液,并配制浓度为5 wt%~80 wt%的凝固液，通过注射器将氧化石墨烯溶液注入到凝固液中，然后石墨烯以自组装形式形成氧化石墨烯纤维，然后用聚四氟乙烯棒卷起凝固液中的石墨烯纤维，在常温下晾干，再将晾干后的氧化石墨烯纤维在ΙΟΟ~8ΟΟC真空高温下还原得到石墨烯纤维。
[0010]上述的凝固剂为醇类有机溶剂、碱类溶剂(NaOH、KOH、CaC12)、酸类溶剂(稀硫酸、稀盐酸、醋酸、酒石酸)、胺类有机溶剂、二甲基亚砜、十二烷基磺酸钠、油酸钠、四氢呋喃和N-甲基吡咯烷烃中的任意一种或多种的混合物，凝固液的温度为10°C ~120°C。
[0011]上述氧化石墨烯自组装形成氧化石墨烯中包含的化学键不限于共价键、离子键、氢键。
[0012]本发明是通过大片氧化石墨制备的石墨纤维方法，改进了以往石墨烯制备纺丝中以氧化石墨烯在凝固液中简单的物理交联，制备的纤维的机械强度较弱。而本发明中通过利用凝固液种类的不同，通过化学键的作用，利用氧化石墨在凝固液中自组装形成纤维。本发明制备的石墨烯纤维可以广泛应用于超级电容器、航空航天、新能源和土木建筑等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为实施例1中制备的氧化石墨烯的TEM Ca)和SEM (b)图。
[0014]图2为实施例1中在苯胺凝固液中制备的石墨烯纤维实物图(a、b)和石墨烯纤维的弹性照片(C、d)。
[0015]图3为实施例2中在KOH凝固液中制备的石墨烯纤维的显微镜图片。
[0016]图4为实施例3中在1，8_辛二胺凝固液中制备的石墨烯纤维的的SEM图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明。
[0018]实施例1
1、大片层氧化石墨烯的制备以5g石墨粉为原料,加入650 mL浓硫酸和100 mL浓硝酸,在常温下搅拌24h,混合物导入2L水中，过滤，洗涤后60°C烘干24h。在1500°C高温下膨胀10s，得到膨胀石墨。加入1000 mL浓硫酸，缓慢加入13.2g K2S2O8和 16.2g P2O在80°C恒温搅拌2h，待冷却到室温后用水洗涤，45°C烘干24h。再向烘干后的GO中加加入1200mL浓硫酸，冰浴下搅拌1.5h，再缓慢加入15g高锰酸钾，充分搅拌后，在35°C油浴锅中反应2h，用去离子水缓慢稀释混合液，等溶液冷却至60°C加入15mL 30%的过氧化氢溶液，至溶液变成浅黄色透明溶液。离心洗涤，再加入80 mL定量的lmol/L稀盐酸洗涤得到的溶液，除去金属离子，静置3h倒出上清液；再用去离子水离心洗涤多余的酸，直至溶液呈中性；将离心的GO置于截留分子量为8000-14000Da的透析袋中，在去离子水中透析7天，每隔12小时换一次去离子水。再将溶液放于温度为_48°C，压力低于18 Pa的冻干机中冻干，即得到大片层带有氧化集团的石墨烯(GGO)。
[0019]2、利用苯胺凝固液制取石墨烯纤维
将450 mg的大片层氧化石墨烯(GGO)溶于水溶液中，超声2 h使GO均匀分散于水溶液中，配成浓度为20 mg/ml的氧化石墨烯(GGO)溶液，再配制质量分数为5% (7%、10%)的苯胺溶液作为凝固液，通过注射器将氧化石墨烯溶液注入到凝固液中自组装形成氧化石墨烯纤维。用聚四氟乙烯棒卷起凝固液中的纤维在常温下晾干，再将晾干的氧化石墨烯纤维在220°C下还原得到石墨烯纤维。
[0020]实施例2
步骤I中制备GGO方法同实施例1，将400 mg的大片层氧化石墨烯(GGO)溶于水溶液中，超声3 h使GO均匀分散于水溶液中，配成5 mg/ml的氧化石墨烯(GGO)溶液。再配制质量分数15%的KOH溶液作为凝固液，通过注射器将氧化石墨烯溶液注入到凝固液中自组装形成氧化石墨烯纤维。用聚四氟乙烯棒卷起凝固液中的纤维在常温下晾干，再将晾干的氧化石墨烯纤维在40(TC下还原得到石墨烯纤维。
[0021]实施例3
步骤I的制备GGO方法同实施例1，将350 mg的大片层氧化石墨烯(GGO)溶于水溶液中，超声4 h使GO均匀分散于水溶液中，配成30 mg/ml的氧化石墨烯(GGO)溶液。再配制质量分数15%的I，8-辛二胺溶液作为凝固液，通过注射器将氧化石墨烯溶液注入到凝固液中自组装形成氧化石墨烯纤维。用聚四氟乙烯棒卷起凝固液中的纤维在常温下晾干。将晾干的氧化石墨烯纤维在550°C下还原得到石墨烯纤维。
[0022]实施例4
步骤1的制备GGO方法同实施例1，将200 mg大片层氧化石墨烯(GGO)溶于水溶液中，超声2 h使GO均匀分散于水溶液中，配成13 mg/ml的氧化石墨烯(GGO)溶液。再配制质量分数9%的丙二胺溶液作为凝固液，通过注射器将氧化石墨烯溶液注入到凝固液中自组装形成氧化石墨烯纤维，用聚四氟乙烯棒卷起凝固液中的纤维在常温下晾干，再将晾干后的氧化石墨烯纤维在600°C下还原得到石墨烯纤维。
[0023]实施例5
步骤I的制备GGO方法同实施例1，将580 mg大片层氧化石墨烯(GGO)溶于水溶液中，超声2.5 h使GO均匀分散于水溶液中，配成18mg/ml的氧化石墨烯溶液。再配制质量分数20%的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液作为凝固液，通过注射器将氧化石墨烯溶液注入到凝固液中自组装形成氧化石墨烯纤维。用聚四氟乙烯棒卷起凝固液中的纤维在常温下晾干，再将晾干后的氧化石墨烯纤维在750°C下还原得到石墨烯纤维。
【权利要求】
1.一种通过大片层氧化石墨烯自组装制备石墨烯纤维的方法，制备过程包括以下步骤: (1)大片层氧化石墨烯(GiantGraphene Oxide ( GGO))的制备 以石墨粉为原料，用一定量的硫酸/硝酸混合液对石墨粉进行预处理，待预处理后的石墨粉在高温500-200(TC下膨胀后，加入一定量的氧化剂在一定温度下对石墨进行预氧化，在冰浴条件下，加入一定量的KMn04/H2S04溶液，反应结束后，溶液中加入适量的双氧水，除去过量的KMnO4，得到浅黄色透明溶液，然后冻干得到大片层带有氧化基团的石墨烯(GGO)； (2)石墨烯纤维的制备 将冻干的氧化石墨烯超声均匀分散于水溶液中，为了达到成纤维的黏度要求，需配置一定浓度的氧化石墨烯溶液和一定浓度的凝固液，通过注射器将氧化石墨烯溶液注入凝固液中，氧化石墨烯则以自组装方式形成氧化石墨烯纤维，然后用聚四氟乙烯棒卷起凝固液中的纤维，放于常温下晾干，再将晾干后的氧化石墨烯纤维在真空环境下高温还原，即得到石墨烯纤维。
2.根据权利要求1所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于:步骤(1)中所述的大片层氧化石墨烯，其直径为20-80 um。
3.根据权利要求1所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于:步骤(1)中所述的预处理石墨粉过程中，浓硫酸/浓硝酸的体积比为1: f 10:1，混合液的用量为石墨粉用量的300wt%^1000 wt%0
4.根据权利要求1所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于:步骤(1)中所述的氧化剂为浓硫酸、五氧化二磷 、过硫酸钾、磷酸、浓硝酸、过硫酸铵、重铬酸钠、过硼酸钠、过硼酸钾、次氯酸钠、高铁酸钠中的一种或多种混合物，氧化剂的用量为石墨粉用量的500wt%^2000 wt%0
5.根据权利要求1所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于:步骤(1)所述的石墨粉预氧化反应的温度为6(T200°C。
6.根据权利要求1所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于:步骤(2)中所述的氧化石墨烯溶液的浓度为5mg/ml~50 mg/ml，凝固液的浓度为5 wt%^80 wt%。
7.根据权利要求1所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于:步骤(2)中所述的凝固液为醇类有机溶剂、碱类溶剂(NaOH、KOH、CaCl2)、酸类溶剂(稀硫酸、稀盐酸、醋酸、酒石酸)、胺类有机溶剂、二甲基亚砜、十二烷基磺酸钠、油酸钠、四氢呋喃和N-甲基吡咯烷烃中的任意一种或多种的混合物。
8.根据权利要求1所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于:步骤(2)中所述的凝固液的温度为10°C~120°C。
9.根据权利要求1所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于:步骤(2)中所述的氧化石墨烯自组装形成氧化石墨烯中包含的化学键不限于共价键、离子键、氢键。
10.根据权利要求1所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于:步骤(2)中所述的在真空环境下高温还原氧化石墨烯的温度为100°c ~800°C。
【文档编号】D01F11/16GK103741264SQ201310563454
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】闵永刚, 童宋照, 刘屹东, 杨文斌, 范天举, 宋建军 申请人:南京新月材料科技有限公司, 盐城增材科技有限公司