一种制备石墨烯-植物纤维复合物的方法与流程

本发明涉及在植物纤维表面包覆一层石墨烯的方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术：

水泥基材料是目前世界上使用最多的建筑材料，但是它是脆性材料、易开裂。研究表明纤维对水泥基材料的开裂有很好的控制作用。钢纤维和人工合成纤维在一定程度上能提高混凝土的韧性，但是提高了混凝土的成本。为有效降低纤维混凝土的成本，研究者开始利用在自然界分布广泛、价格低廉、取材方便的植物纤维来代替传统的人工合成纤维。植物纤维应用于水泥基复合材料，不仅能够改善韧性，还能够促进可持续发展，具有生态效应，符合发展循环经济的重大战略。

植物纤维在水泥基复合材料中的耐久性问题限制了其在建筑材料领域的应用。水泥水化产生的氢氧化钙溶于水中，使水泥浆体孔溶液呈碱性。碱性环境会使植物纤维中的半纤维素和木质素溶液，破坏纤维的结构使纤维的强度和韧性下降。此外，钙离子进入植物纤维内部孔隙结晶，使纤维“矿化”，逐渐失去柔性而僵硬化，易发生脆性断裂。因此，解决植物纤维在水泥基体中的耐久性问题是将植物纤维代替人工合成纤维增韧水泥基复合材料的前提条件。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明的目的是提供一种制备石墨烯－植物纤维复合物的方法。该方法利用植物纤维多孔吸水特性将分散在水中的氧化石墨烯片层包覆在植物纤维表面，在还原环境中获得稳定的石墨烯－植物纤维复合物。植物纤维表面包覆的石墨烯薄膜可作为植物纤维的保护膜，有效阻碍水泥基体中碱性离子对植物纤维的侵蚀，提高植物纤维在水泥基体中的耐久性。该工艺流程简单易操作，有望大规划应用于绿色建筑行业。

为实现上述的目的，本发明提供了一种制备石墨烯－植物纤维复合物的方法，该方法包括以下过程：

1).制备氧化石墨烯，并配置氧化石墨烯水溶液；

2).对植物纤维进行前处理；

3).将前处理后的植物纤维浸入氧化石墨烯水溶液中，充分浸透后，取出烘干获得氧化石墨烯-植物纤维复合物；

4).将氧化石墨烯－植物纤维复合物浸入还原性溶液中，获得稳定的石墨烯－植物纤维复合物。

所述步骤1)中，用改进hummers法制备氧化石墨烯，配置的氧化石墨烯水溶液浓度为1～3mg/ml。

所述步骤2)中，植物纤维的前处理包括：①根据增韧水泥基复合材料的要求确定植物纤维长径比范围，并对植物纤维进行裁剪；②用清水洗净植物纤维表面的泥土、碎屑等杂物，并烘干；③将水洗过的植物纤维在ph为13～14的naoh或koh溶液中浸泡0.5～1h，去掉表面的果胶和蜡质，露出更多表面；④碱处理后的植物纤维用清水清至中性后烘干。

所述步骤3)中，为了促进氧化石墨烯进入植物纤维孔隙，在浸泡过程中开启超声振荡，功率为300～600w。

所述步骤3)中，烘干过程为：将取出的氧化石墨烯－植物纤维复合物置于纱布上沥去多余水分，在真空干燥箱中干燥，温度为40～60℃。

所述步骤4)中，所述还原性溶液为硼氢化钠、抗坏血酸钠中的一种，浓度为0.1～3mol/l,还原温度为40～80℃。

本发明具有如下有益效果：利用植物纤维多孔吸水特性将分散在水中的氧化石墨烯片层包覆在植物纤维表面，在还原环境中获得稳定的石墨烯－植物纤维复合物。该工艺流程简单易操作，纤维表面包裹的石墨烯作为植物纤维的保护膜阻碍水泥基体中碱性离子对植物纤维的侵蚀，提高植物纤维耐久性，可应用于增韧水泥基复合材料。

附图说明

图1为本发明实施例中前处理后剑麻纤维的拉曼光谱；

图2为本发明实施例中氧化石墨烯－剑麻纤维复合物的拉曼光谱；

图3为本发明实施例中石墨烯－剑麻纤维复合物的拉曼光谱。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合具体实施例和附图进行说明，显而易见地，下面描述中的实施例仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实例。

实施例1以剑麻纤维为例，制备石墨烯－剑麻纤维复合物。

(1).用改进hummers法制备氧化石墨烯，并配置成浓度为1mg/ml的氧化石墨烯水溶液；

(2).剑麻纤维的预处理：将天然剑麻纤维裁剪成长度为60mm的短纤维，用清水洗表面的泥砂和碎屑，在鼓风干燥机中60℃烘干。然后在0.1mon/lnaoh溶液中浸泡1h。碱处理后的剑麻纤维用去清水反复冲洗至中性，在鼓风干燥机中60℃烘干。

(3).将前处理后的剑麻纤维浸入步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液中，超声振荡(功率为360w)0.5h，充分浸透后，取出氧化石墨烯－剑麻纤维，置于网孔为80目的纱布上沥去多余水分，在60℃的真空干燥箱中充分干燥获得氧化石墨烯－剑麻纤维复合物。

(4).将氧化石墨烯-剑麻纤维浸入浓度为1mol/l的硼氢化钠溶液中，并置于70℃水浴锅中还原，获得石墨烯-剑麻纤维复合物。

在上述制备过程中用拉曼光谱仪测试前处理后剑麻纤维、氧化石墨烯－剑麻纤维复合物和石墨烯－剑麻纤维复合物的拉曼光谱，如图1-3所示。其中，在1580cm^-1附近出现的g峰是由碳原子的面内振动引起的，是石墨烯的主要特征峰，在1340cm^-1附近出现的d峰被认为是石墨烯的无序振动峰。d峰与g峰的出现可证明氧化石墨烯成功包覆在剑麻纤维表面。

实施例2以剑麻纤维为例，制备石墨烯－剑麻纤维复合物。

(1).用改进hummers法制备氧化石墨烯，并配置成浓度为2mg/ml的氧化石墨烯水溶液；

(2).剑麻纤维的预处理：将天然剑麻纤维裁剪成长度为30mm的短纤维，用清水洗表面的泥砂和碎屑，在鼓风干燥机中60℃烘干。然后在1mol/lnaoh溶液中浸泡0.5h。碱处理后的剑麻纤维用去清水反复冲洗至中性，在鼓风干燥机中60℃烘干。

(3).将前处理后的剑麻纤维浸入步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液中，超声振荡(功率为600w)0.5h，充分浸透后，取出氧化石墨烯－剑麻纤维，置于网孔为80目的纱布上沥去多余水分，在60℃的真空干燥箱中充分干燥获得氧化石墨烯－剑麻纤维复合物。

(4).将氧化石墨烯-剑麻纤维浸入浓度为0.5mol/l的抗坏血酸钠中，并置于80℃水浴锅中还原，获得石墨烯-剑麻纤维复合物。

实施例3以椰壳纤维为例，制备氧化石墨烯－椰壳纤维复合物。

(1).用改进hummers法制备氧化石墨烯，并配置成浓度为2mg/ml的氧化石墨烯水溶液；

(2).椰壳纤维的预处理：将天然椰壳纤维裁剪成长度为20～30mm的短纤维，用清水洗表面的泥砂和碎屑，在鼓风干燥机中60℃烘干。然后在0.5mol/lnaoh溶液中浸泡0.5h。碱处理后的椰壳纤维用去清水反复冲洗至中性，在鼓风干燥机中60℃烘干。

(3).将前处理后的椰壳纤维浸入步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液中，超声振荡(功率为360w)0.5h，充分浸透后，取出氧化石墨烯－椰壳纤维，置于网孔为80目的纱布上沥去多余水分，在60℃的真空干燥箱中充分干燥获得氧化石墨烯－椰壳纤维复合物。

(4).将氧化石墨烯-椰壳纤维浸入浓度为0.5mol/l的抗坏血酸钠中，并置于60℃水浴锅中还原，获得石墨烯-椰壳纤维复合物。

实施例4以椰壳纤维为例，制备氧化石墨烯－椰壳纤维复合物。

(1).用改进hummers法制备氧化石墨烯，并配置成浓度为3mg/ml的氧化石墨烯水溶液；

(2).椰壳纤维的预处理：将天然椰壳纤维裁剪成长度为10～20mm的短纤维，用清水洗表面的泥砂和碎屑，在鼓风干燥机中60℃烘干。然后在0.1mol/lnaoh溶液中浸泡0.5h。碱处理后的椰壳纤维用去清水反复冲洗至中性，在鼓风干燥机中60℃烘干。

(3).将前处理后的椰壳纤维浸入步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液中，超声振荡(功率为600w)20min，充分浸透后，取出氧化石墨烯－椰壳纤维，置于网孔为80目的纱布上沥去多余水分，在60℃的真空干燥箱中充分干燥获得氧化石墨烯－椰壳纤维复合物。

(4).将氧化石墨烯-椰壳纤维浸入浓度为1mol/l的硼氢化钠溶液中，并置于70℃水浴锅中还原，获得石墨烯-椰壳纤维复合物。

实施例5

以剑麻纤维为例，制备石墨烯－剑麻纤维复合物。

(1).用改进hummers法制备氧化石墨烯，并配置成浓度为1mg/ml的氧化石墨烯水溶液；

(2).剑麻纤维的预处理：将天然剑麻纤维裁剪成长度为60mm的短纤维，用清水洗表面的泥砂和碎屑，在鼓风干燥机中60℃烘干。然后在0.1mon/lnaoh溶液中浸泡1h。碱处理后的剑麻纤维用去清水反复冲洗至中性，在鼓风干燥机中60℃烘干。

(3).将前处理后的剑麻纤维浸入步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液中，超声振荡(功率为300w)0.5h，充分浸透后，取出氧化石墨烯－剑麻纤维，置于网孔为80目的纱布上沥去多余水分，在60℃的真空干燥箱中充分干燥获得氧化石墨烯－剑麻纤维复合物。

(4).将氧化石墨烯-剑麻纤维浸入浓度为3mol/l的硼氢化钠溶液中，并置于40℃水浴锅中还原，获得石墨烯-剑麻纤维复合物。

实施例6

以椰壳纤维为例，制备氧化石墨烯－椰壳纤维复合物。

(1).用改进hummers法制备氧化石墨烯，并配置成浓度为2mg/ml的氧化石墨烯水溶液；

(2).椰壳纤维的预处理：将天然椰壳纤维裁剪成长度为20～30mm的短纤维，用清水洗表面的泥砂和碎屑，在鼓风干燥机中60℃烘干。然后在0.5mol/lnaoh溶液中浸泡0.5h。碱处理后的椰壳纤维用去清水反复冲洗至中性，在鼓风干燥机中60℃烘干。

(3).将前处理后的椰壳纤维浸入步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液中，超声振荡(功率为360w)0.5h，充分浸透后，取出氧化石墨烯－椰壳纤维，置于网孔为80目的纱布上沥去多余水分，在40℃的真空干燥箱中充分干燥获得氧化石墨烯－椰壳纤维复合物。

(4).将氧化石墨烯-椰壳纤维浸入浓度为0.1mol/l的抗坏血酸钠中，并置于60℃水浴锅中还原，获得石墨烯-椰壳纤维复合物。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。