CN104947227B - 聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料及其制备方法，该方法采用改良的Hummers法制备氧化石墨，进而制备聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯的均匀混合液，然后在高能电离辐射下将其中的氧化石墨烯原位还原为石墨烯，再利用静电纺丝技术制备聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料；本发明提供的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的制备方法避免引入强还原剂，石墨烯在复合材料中均匀分散且含量更高，制得的复合纳米纤维材料性能更均一，具有更强的机械性能和导电性能，且该方法操作简便、环保。

Description

聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料及其制备方法

技术领域

本发明属于有机聚合物/无机物复合材料领域，具体涉及聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，其具有优异的导电、导热和力学性能，因而成为制备功能聚合物复合材料的理想纳米填料。

目前聚合物/石墨烯复合材料的制备主要采用共混法，即：将石墨烯与聚合物或聚合物溶液直接混合，经沉淀或热压成型等方法制备而成，但由于石墨烯表面呈惰性状态，与其它介质的相互作用极弱，且石墨烯片与片之间存在较强的范德华力，极易发生团聚，很难在聚合物或其溶液中均匀分散，不能把石墨烯的优良性能很好地体现在复合材料中，表现为复合材料中石墨烯含量较低且材料的性能不均一。

此外，氧化-还原法是目前制备石墨烯的主要方法之一，该方法将石墨转变为氧化石墨，再将氧化石墨还原、剥离为石墨烯，传统手段一般采用化学还原将氧化石墨还原为石墨烯，但强还原剂(如：水合肼)的使用对环境危害较大，且后处理过程中很难除去，对复合材料造成影响。

基于现有技术的上述状况，本发明人对聚合物/石墨烯复合材料的制备方法进行研究，目的是提供避免使用还原剂、石墨烯均匀分散且操作简便的聚合物/石墨烯复合材料的制备方法，具体为聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料及其制备方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人对聚合物/石墨烯复合材料的制备方法进行了锐意研究，结果发现：可以先制备聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯的均匀混合液，然后在高能电离辐射下将其中的氧化石墨烯原位还原为石墨烯，再利用静电纺丝技术制备聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料，避免引入强还原剂，石墨烯在复合材料中均匀分散且含量更高，制得的复合纳米纤维材料性能更均一，且该方法操作简便、环保。

本发明的目的在于提供以下方面：

(1)聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的制备方法，氧化石墨烯与聚乙烯吡咯烷酮的均匀混合溶液在高能电离辐射下，氧化石墨烯原位还原为石墨烯，然后利用静电纺丝技术制备聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料。

(2)聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料，该材料根据如上述(1)所述制备方法制备而成。

以下详述本发明。

根据本发明的第一方面，提供聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的制备方法，氧化石墨烯与聚乙烯吡咯烷酮的均匀混合溶液在高能电离辐射下，氧化石墨烯原位还原为石墨烯，然后利用静电纺丝技术制备聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料。

该方法包括以下步骤：

步骤1)，以鳞片石墨为原料，在浓硫酸、浓磷酸、高锰酸钾和双氧水的作用下，得到氧化石墨。

在根据本发明的优选实施方式中，采用改良的Hummers法制备氧化石墨，具体为：在冰盐浴条件下将鳞片石墨加入浓硫酸与浓磷酸的混合液中，搅拌下加入高锰酸钾，维持反应温度在5℃以下搅拌1.5～4小时，将反应体系加热至30～35℃并搅拌反应20～30小时，然后加入去离子水和双氧水，继续搅拌反应24～30小时，过滤并用去离子水洗涤沉淀物，得到所述氧化石墨。

其中，优选质量浓度为98％的浓硫酸、85％的浓磷酸、25～35％的双氧水；1g所述鳞片石墨与4～6mL浓硫酸混合，所述鳞片石墨与高锰酸钾的重量比为1:7～1:8；所述浓磷酸与浓硫酸的体积比为1:8～1:10，所述浓硫酸与去离子水的体积比为1:4～1:6，所述双氧水与浓硫酸的体积比为1:1～1:3；所述搅拌速度为270～300rpm。

所述改良的Hummers法包括低温反应(5℃以下)和中温反应(30～35℃)两个阶段，在低温反应阶段，主要发生硫酸分子在石墨片层间插层，在中温反应阶段，主要发生石墨的深度氧化和层间化合物的水解反应，本发明提供的改良的Hummers法低温反应插层充分，中温反应深度氧化完全且水解彻底，制得的氧化石墨层间距更大，易于被剥离成单层或双层的氧化石墨烯，为后续步骤中超声、搅拌分散制备单层或双层的氧化石墨烯打下基础，且省去了常规方法中的高温反应(一般为85～95℃)阶段，降低了能耗，提高了安全性，更适于大规模工业生产。

在根据本发明的优选实施方式中，本发明提供的改良的Hummers法采用浓磷酸取代常规方法中的硝酸钠，可以增强体系的酸性，提高氧化效率，改良的Hummers法不产生有毒气体，反应体系的温度容易控制，可以用于大规模生产氧化石墨烯。

步骤2)，将聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水中，加入步骤1)制得的氧化石墨，超声并搅拌分散，得到聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯的均匀混合溶液。

在根据本发明的优选实施方式中，所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为100～150万g/mol，可溶于水、乙醇等极性溶剂中。

所述聚乙烯吡咯烷酮在其去离子水溶液中的质量浓度为8～10％，所述氧化石墨与聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:20～1:250，所述氧化石墨烯在聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯的均匀混合溶液中的质量浓度为4.0～50.0‰。

在超声、搅拌下，所述氧化石墨被剥离为单层或双层的氧化石墨烯，氧化石墨烯带有的羰基、羧基、环氧基等基团使其具有较强的亲水性，在水或极性溶剂中分散性更好，因而可均匀分散于聚乙烯吡咯烷酮的水溶液中，在制备过程中，可提高氧化石墨烯的加入量，从而制得石墨烯含量更高的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料，更好地改善复合材料的多种性能，且由于石墨烯与聚乙烯吡咯烷酮混合更均匀，复合材料性能的均一性和稳定性均得到提高。

步骤3)，向步骤2)制得的混合溶液中加入氧化性自由基清除剂，在高能电离辐射下搅拌反应，得到聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯的均匀混合溶液。

在根据本发明的优选实施方式中，所述高能电离辐射源为α射线、β射线、γ射线、X射线或高速电子流等，优选为γ射线，所述高能电离辐射的剂量为20～80Gy/min，辐射时间为4～8小时。

在上述高能电离辐射下，所述混合溶液中的水发生电离和激发等效应，生成具有较强还原性的H·自由基、水合电子e^- _aq等物种，同时生成具有氧化性的·OH自由基、H₃O⁺、H₂、H₂O₂、HO₂等其它物种，上述物种中的e^- _aq具有强还原性，可将混合溶液中的氧化石墨烯原位还原为石墨烯并保持均匀分散，但由于体系中同时存在具有强氧化性的·OH自由基等，需加入氧化性自由基清除剂除去体系中的氧化性自由基，使体系整体保持较强的还原性。

所述氧化性自由基清除剂为醇类，优选为异丙醇，所述聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯混合溶液与氧化性自由基清除剂的体积比为1:(0.05～0.4)。

步骤4)，采用静电纺丝装置，以步骤3)制得的混合溶液为纺丝溶液制得所述聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料。

在根据本发明的优选实施方式中，所述纺丝溶液中聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯的质量浓度为0.5～5.0％。

所述静电纺丝装置中，纺丝电压为10～30kV，发射电极与接收电极之间的距离为10～35cm。

在室温下，采用静电纺丝装置制备得到聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维或纳米纤维膜，可直接或经加工后应用于多种领域。

根据本发明的第二方面，提供聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料，该材料根据如上所述的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的制备方法制备而成。

在根据本发明的优选实施方式中，所述材料的直径为200～450nm，纤维长度在5cm以上。

石墨烯均匀、分散地分布于所述复合纳米纤维材料中，复合材料性能的均一性和稳定性均得到提高，石墨烯在所述材料中的质量分数为1:20～1:250，所述材料的面积密度为60～180g/m²，拉伸强度为19.1～21.5MPa，断裂伸长率为10～15％，杨氏弹性模量为10MPa以上，电导率为190～210μS/cm。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的制备方法在室温下采用高能电离辐射将氧化石墨烯还原为石墨烯，不引入强还原剂，避免了还原剂残留和高温还原对有机聚合物的破坏，且操作简便、环保；

(2)本发明提供的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的制备方法利用氧化石墨烯在水中分散性好的特点，先制备聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯的均匀混合液，然后将其中的氧化石墨烯原位还原为石墨烯，石墨烯在混合溶液中保持均匀分散，不会聚集成团，制得的复合纳米纤维材料性能更均一；

(3)本发明提供的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的制备方法利用静电纺丝技术制得聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维或纳米纤维膜，保持了复合纳米材料均一的性能，且操作简便；

(4)本发明提供的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料中石墨烯均匀分散于聚乙烯吡咯烷酮中，材料性能更均一、稳定，且其中石墨烯的含量更高，具有更强的机械性能和导电性能。

附图说明

图1示出聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的XRD图谱；

图2示出聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的结构图及纤维横截面图。

具体实施方式

下面通过附图、实验例和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

实施例

实施例1

步骤1)，将1.2g鳞片石墨粉加入60mL 98％的浓硫酸中，然后加入6.7mL 85％的浓磷酸，在冰盐浴中降温至5℃以下，开始缓慢搅拌并加入高锰酸钾，维持反应温度5℃以下搅拌2小时，撤去冰盐浴，将反应体系加热至35℃并搅拌反应24小时，然后加入300mL去离子水，搅拌均匀后加入30mL 30％的双氧水，继续搅拌反应24～30小时，过滤并用去离子水洗涤沉淀物，得到所述氧化石墨；

步骤2)，将0.8g聚乙烯吡咯烷酮加入9.2g去离子水中，搅拌24小时使其完全溶解，加入0.016g步骤1)制得的氧化石墨，超声并搅拌分散，得到聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯的均匀混合溶液；

步骤3)，向步骤2)制得的混合溶液中加入2mL异丙醇，在⁶⁰Coγ射线下以80Gy/min剂量辐射6小时，同时搅拌反应，得到聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯的均匀混合溶液；

步骤4)，采用静电纺丝装置，以步骤3)制得的混合溶液为纺丝溶液，纺丝溶液中聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯的质量浓度为1.0％，在室温下，纺丝电压为18kV，发射电极与接收电极之间的距离为15cm的条件下进行纺丝，制得网络结构的所述聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料。

实施例2

采用与实施例1相似的方法制备得到大小、厚度相同的网络结构的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料，区别仅在于：步骤2)中加入0.027g氧化石墨。

实施例3

采用与实施例1相似的方法制备得到大小、厚度相同的网络结构的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料，区别仅在于：步骤3)中使用²⁰⁹Poα射线进行辐射。

实施例4

采用与实施例1相似的方法制备得到大小、厚度相同的网络结构的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料，区别仅在于：步骤3)中使用¹⁴Cβ射线进行辐射。

实施例5

采用与实施例1相似的方法制备得到大小、厚度相同的网络结构的聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料，区别仅在于：步骤3)中使用Cu靶X射线进行辐射。

对比例

对比例1 溶液混合法制备聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合材料

步骤1)，采用与实施例1步骤1)相同的方法制备得到氧化石墨；

步骤2)，将0.15g步骤1)制得的氧化石墨加入150mL水中，超声1小时，加入0.3gKOH和2mL水合肼，于98℃回流反应24小时，冷却至室温，离心分离固体产物，并用水、乙醇洗涤，得到石墨烯；

步骤3)，将0.8g聚乙烯吡咯烷酮加入9.2g去离子水中，搅拌24小时使其完全溶解，加入0.016g步骤2)制得的石墨烯，超声并搅拌分散，得到聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯的混合溶液；

步骤4)，将步骤3)制得的混合溶液倒入模具中，于-25℃静置12小时后取出、烘干，得到与实施例1中网络结构的复合纳米纤维材料大小、厚度相同的片状聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合材料。

对比例2 制备聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维材料

采用与实施例1相似的方法制备得到大小、厚度相同的网络结构的聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维材料，区别仅在于：不添加氧化石墨烯。

实验例

实验例1 X-射线衍射实验

使用X-射线粉晶衍射仪(Cu靶Kα射线)，在λ为0.15406nm，步宽0.02，工作电压40kV，工作电流100mA的条件下进行测试，实施例1结果见图1，实施例2～5结果与实施例1相似。

实验例2 电镜测试

采用步骤4)方法，将聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维制备到含有双面碳导电胶带的接收电极上，取下带有上述复合纳米纤维导电胶带，利用场发射扫描电镜(S-4800型)观察纳米纤维直径、长度等，测试结果见图2。

实验例3

在25℃，空气相对湿度为25～40％的条件下，测定所述聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合材料的机械性能和导电性能，结果见表1。

表1.聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合材料的性能测定结果

以上结合优选实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制。在不超出本发明精神和保护范围的情况下，可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1)，以鳞片石墨为原料，在浓硫酸、浓磷酸、高锰酸钾和双氧水的作用下，得到氧化石墨；

步骤2)，将聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水中，加入步骤1)制得的氧化石墨，超声并搅拌分散，得到聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯的均匀混合溶液，

所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为100～150万g/mol，并且所述聚乙烯吡咯烷酮在其去离子水溶液中的质量浓度为8～10％，所述氧化石墨与聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:20～1:250，所述氧化石墨烯在聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯的均匀混合溶液中的质量浓度为4.0～50.0‰；

步骤3)，向步骤2)制得的混合溶液中加入氧化性自由基清除剂，在高能电离辐射下搅拌反应，得到聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯的均匀混合溶液；

步骤4)，采用静电纺丝装置，以步骤3)制得的混合溶液为纺丝溶液制得所述聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯复合纳米纤维材料，

所述材料的直径为200～450nm，纤维长度在5cm以上。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，在冰盐浴条件下将鳞片石墨加入浓硫酸与浓磷酸的混合液中，搅拌下加入高锰酸钾，维持反应温度在5℃以下搅拌1.5～4小时，将反应体系加热至30～35℃并搅拌反应20～30小时，然后加入去离子水和双氧水，继续搅拌反应24～30小时，过滤并洗涤沉淀物，得到所述氧化石墨。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，

选择质量浓度为98％的浓硫酸、85％的浓磷酸、25～35％的双氧水，和/或

1g所述鳞片石墨与4～6mL浓硫酸混合，所述鳞片石墨与高锰酸钾的重量比为1:7～1:8，和/或

所述浓磷酸与浓硫酸的体积比为1:8～1:10，所述浓硫酸与去离子水的体积比为1:4～1:6，所述双氧水与浓硫酸的体积比为1:1～1:3，和/或

所述搅拌速度为270～300rpm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，

所述氧化性自由基清除剂为醇类，和/或

所述聚乙烯吡咯烷酮/氧化石墨烯混合溶液与氧化性自由基清除剂的体积比为1:(0.05～0.4)，和/或

所述高能电离辐射源为α射线、β射线、γ射线、X射线或高速电子流，

所述高能电离辐射的剂量为20～80Gy/min，辐射时间为4～8小时。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，

所述纺丝溶液中聚乙烯吡咯烷酮/石墨烯的质量浓度为0.5～5.0％，和/或

所述静电纺丝装置中，纺丝电压为10～30kV，发射电极与接收电极之间的距离为10～35cm。