CN105256408A - 一种氧化石墨烯纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氧化石墨烯复合材料制备的技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯纤维及其制备方法，包括以下步骤：步骤1，以氧化石墨烯为原料，将氧化石墨烯水分散液置于油浴锅中，在一定温度下搅拌浓缩到粘稠状，得浓缩氧化石墨烯；步骤2，配置浓度适宜的离子液水溶液；步骤3，以离子液水溶液为凝固液，通过湿法纺丝技术制备氧化石墨烯纤维。本发明以有机物的离子液在氧化石墨烯片层间产生连接来代替以往的金属离子的片层间连接。本发明操作简单，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在抗拉强度和稳定性上都不输以往的凝固液，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。
Description
技术领域
本发明属于氧化石墨烯复合材料制备的技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯纤维及其制备方法。
背景技术
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π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。自2004年Geim等人获得石墨烯以来，石墨烯成为碳材料家族中的“明星分子”，尤其是在微纳电子器件领域已展现出广阔的应用前景，有望成为下一代构筑电子学器件的核心材料。
为更好应用石墨烯材料，人们不断探索其制备加工方法。研究发现石墨的化学氧化剥离能够获得氧化的石墨烯片层，该石墨烯由于具有羟基、羧酸根、醚键等，称为氧化石墨烯或石墨烯氧化物。氧化石墨烯在溶剂中有一定的分散性，可进行溶液加工，便于获得薄膜状材料，以及纤维状，目前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。有采用胺类有机物溶液作为凝固液使得氧化石墨烯纤维片层间形成共价键来提升石墨烯纤维的强度。有采用金属离子溶液做为凝固液使得氧化石墨烯纤维片层间形成二价阳离子的桥连作用来提升氧化石墨烯纤维的强度。这些方法目前都未涉及到在氧化石墨烯片层间直接形成离子键来提升石墨烯纤维的强度。
因此，提升氧化石墨烯、石墨烯纤维的强度是目前需要进一步解决的问题，通过离子键提升氧化石墨烯、石墨烯纤维的强度有待进一步探究。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提出一种新颖的离子液水溶液作为凝固液的湿法纺丝方法，将氧化石墨烯注入到离子液水溶液中，利用氧化石墨烯对离子液的吸附作用在氧化石墨烯片层间快速形成离子键以达到快速固化制备成纤维。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种氧化石墨烯纤维制备方法，包括以下步骤：
步骤1，以氧化石墨烯为原料，将将氧化石墨烯水分散液置于油浴锅中在一定温度下搅拌浓缩到粘稠状，得浓缩氧化石墨烯；
步骤2，配置浓度适宜的离子液水溶液；
步骤3，以离子液水溶液为凝固液，通过湿法纺丝技术制备氧化石墨烯纤维。
进一步地，所述步骤1的温度为50℃～60℃，所述浓缩石墨烯粘度为985MPa.S。
进一步地，所述步骤2的离子液为1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐、氯化1-胺丙基-3-甲基咪唑、1，2-乙二胺三氟甲磺酸盐、1，2-乙二胺硝酸盐的任意一种或多种的混合物。
进一步地，所述步骤2的离子液水溶液浓度分别为：0.0026mol/L-0.0086mol/L。
作为优选，所述湿法纺丝技术中氧化石墨烯的挤出量为0.4mL/min。
作为优选，所述湿法纺丝技术中所用针头的针嘴内径为0.5mm。
一种氧化石墨烯纤维，所述氧化石墨烯纤维的拉力性能在150MPa～400MPa。
有益效果：
(1)本发明氧化石墨烯纤维制备方法，是以氧化石墨烯为原料，以粘稠状的氧化石墨烯作为纺丝液，离子液的水溶液作为凝固液，通过湿法纺丝技术制备出氧化石墨烯纤维。本发明通过离子液在氧化石墨烯片层之间形成离子键连接氧化石墨烯，进一步形成氧化石墨烯纤维。
(2)本发明氧化石墨烯纤维制备方法，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，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。
(3)本发明的氧化石墨烯纤维，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
下面结合附图对本发明的作进一步说明。
图1为本发明制备方法操作流程图。
图2为实施例1的氧化石墨烯纤维的SEM图。
图3为实施例2的氧化石墨烯纤维的SEM图
图4为实施例5中的力学性能图。
具体实施方式
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，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：以500um大小的石墨片层为原料，通过Hummers法制备出氧化石墨烯水分散液，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℃～60℃浓缩一天，使其粘度达到985MPa.S左右，作为纺丝液；
步骤2：取1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐0.5mL于50mL水中配置成浓度为0.0449mol/L的溶液，做为凝固液；
步骤3：利用湿法纺丝技术以离子液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0.4mL/min；将氧化石墨烯纺丝液注入离子液水溶液的凝固液中，制备出氧化石墨烯纤维。
实施例2
本实施例以氯化1-胺丙基-3-甲基咪唑的水溶液为凝固液湿法纺丝制备纤维，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：以500um大小的石墨片层为原料，通过Hummers法制备出氧化石墨烯水分散液，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℃～60℃浓缩一天，使其粘度达到985MPa.S左右；
步骤2：取氯化1-胺丙基-3-甲基咪唑0.02g于50mL水中配置成浓度为0.0026mol/L的溶液，作为凝固液；
步骤3：利用湿法纺丝技术以离子液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0.4mL/min；将氧化石墨烯纺丝液注入离子液水溶液的凝固液中，制备出氧化石墨烯纤维。
实施例3
本实施例以1，2-乙二胺三氟甲磺酸盐的水溶液为凝固液湿法纺丝制备纤维，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：以500um大小的石墨片层为原料，通过Hummers法制备出氧化石墨烯水分散液，取适量的氧化石墨烯于烧杯中，将此烧杯置于油浴锅中在搅拌的情况下50℃～60℃浓缩一天，使其粘度达到985MPa.S左右；
步骤2：取1，2-乙二胺三氟甲磺酸盐0.08g于50mL水中配置成浓度为0.0044mol/L的溶液，作为凝固液；
步骤3：利用湿法纺丝技术以离子液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0.4mL/min；将氧化石墨烯纺丝液注入离子液水溶液的凝固液中，制备出氧化石墨烯纤维。
实施例4
本实施例以1，2-乙二胺硝酸盐的水溶液为凝固液湿法纺丝制备纤维：
步骤1：以500um大小的石墨片层为原料，通过Hummers法制备出氧化石墨烯水分散液，取适量的氧化石墨烯于烧杯中，将此烧杯置于油浴锅中在搅拌的情况下50℃～60℃浓缩一天，使其粘度达到985MPa.S左右；
步骤2：取1，2-乙二胺硝酸盐0.08g于50mL水中配置成浓度为0.0086mol/L的溶液，作为凝固液；
步骤3：利用湿法纺丝技术以离子液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0.4mL/min；将氧化石墨烯纺丝液注入离子液水溶液的凝固液中，制备出氧化石墨烯纤维。
实施例5
本实施例通过对实施例1和实施例2的产物氧化石墨烯纤维进行测试分析。
如图2、图3所示，分别为实施例1和实施例2产物氧化石墨烯纤维的SEM图，从图中我们可以看出，实施例1和实施例2的产物氧化石墨烯纤维的片层纹理清晰、均匀；从图中可以看出实施例1的氧化石墨烯纤维的直径为32um，实施例1的纤维截面显示石墨烯片层结合更致密，是因为实施例1的纤维常温下是有点湿的，实施例1的凝固液所加离子液比实施例2的多，且离子液常温下是液态的，因此实施例1的纤维比实施例2的纤维在常温下要湿；实施例2的截面就是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。
如图4所示，分别对实施例1和实施例2的氧化石墨烯纤维进行力学性能测试，从S-S曲线图中可以看出实施例1纤维拉力性能大概在150MPa左右，实施例2纤维的拉力性能在400MPa左右。因为实施例1纤维是比较湿的所以拉力性能比较小，正因为湿所以其横坐标应变会比实施例2要大。实施例1纤维的作用力是石墨烯对离子液的吸附作用使得离子液在片层间聚集，结合石墨烯片层上的官能团，是正负离子的作用使得石墨烯片层间产生连接。实施例2纤维的石墨烯片层间作用力同样有片层间离子的作用，而且第二种离子液存在氨基会和石墨烯片层上的羧基反应成共价键，这就使得石墨烯片层间不仅存在共价键又存在离子键，所以实施例2的纤维的强度比实施例1的强度大。
显然，上述实施例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。
Claims (8)
1.一种氧化石墨烯纤维制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，以氧化石墨烯为原料，将氧化石墨烯水分散液置于油浴锅中，在一定温度下搅拌浓缩到粘稠状，得浓缩氧化石墨烯；
步骤2，配置浓度适宜的离子液水溶液；
步骤3，以离子液水溶液为凝固液，通过湿法纺丝技术制备氧化石墨烯纤维。
2.根据权利要求书1所述的氧化石墨烯纤维制备方法，其特征在于，所述步骤1的温度为50℃～60℃，所述浓缩氧化石墨烯粘度为985MPa.S。
3.根据权利要求书1所述的氧化石墨烯纤维制备方法，其特征在于，所述步骤2的离子液为有机物离子液。
4.根据权利要求书3所述的氧化石墨烯纤维制备方法，其特征在于，所述步骤2的离子液为1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸盐、氯化1-胺丙基-3-甲基咪唑、1，2-乙二胺三氟甲磺酸盐、1，2-乙二胺硝酸盐的任意一种或多种的混合物。
5.根据权利要求书1或3所述的氧化石墨烯纤维制备方法，其特征在于，所述步骤2的离子液水溶液浓度分别为：0.0026mol/L-0.0086mol/L。
6.根据权利要求书1或3所述的氧化石墨烯纤维制备方法，其特征在于，所述步骤3的湿法纺丝技术中氧化石墨烯的挤出速为0.4mL/min。
7.根据权利要求书1或3所述的氧化石墨烯纤维制备方法，其特征在于，所述步骤3的湿法纺丝技术中所用针头的针嘴内径为0.5mm。
8.一种氧化石墨烯纤维，其特征在于，氧化石墨烯纤维的拉力性能在150MPa～400MPa。
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