CN106835326A - 高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维及其制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯类物质水溶液进行预处理，得到石墨烯类物质分级水溶液，石墨烯类物质的D90指标控制在70μm以下；将PVA水溶液、硼酸与所述石墨烯类物质分级水溶液混合搅拌，得到PVA浓度为10‑20wt％的含硼酸的纺丝原液；将纺丝原液过滤、脱泡、纺丝以及干燥后，即得。采用上述制备方法制备得到的高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维广泛应用于建筑行业、运输行业方面。该复合型纤维拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率等指标均有了质的提高，并且还额外赋予了纤维材料较高的韧性、耐热水性和抗静电性。

Description

高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及聚乙烯醇纤维加工制备领域，具体而言，涉及一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维及其制备方法、应用。

背景技术

聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性高分子聚合物，其分子式为[C₂H₄O]n。聚乙烯醇纤维由于有良好的亲水性、抗冲击性和成型加工中易于分散性好等特点，可以作为塑料、水泥以及陶瓷等的增强材料，也可替代有致癌物质的石棉。

石墨烯是一种由单层sp2杂化碳原子组成的蜂窝状结构的二维材料，具有许多优异的性能。自从2004年被发现起，石墨烯就成为了科学界的一大研究热点。在对石墨烯的物理化学性质进行研究的同时，与石墨烯相关的复合材料也层出不穷。在纳米科学方向上，石墨烯也被用来制备相关的纳米复合材料，尤其是石墨烯/金属或石墨烯/金属氧化物的纳米复合材料。由于石墨烯的优异性能，这些纳米复合材料在新型能源、生物传感、催化、光学材料等领域有着广阔的研究前景。

专利CN104328533 A公开了一种高强高模量聚乙烯醇-石墨烯纳米复合纤维的制备方法，将石墨烯或其衍生物和聚乙烯醇在混合溶剂中混合均匀后，通过凝胶纺丝的方法纺丝，高倍热拉伸得到高强高模的聚乙烯醇-石墨烯纳米复合纤维，制得的聚乙烯醇-石墨烯纳米复合纤维的拉伸强度可达1.4-2.2GPa，杨氏模量36GPa，断裂伸长率10％。但该专利制备的改性PVA其强度和韧性一般，有待于进一步提高，并且其也不具备抗静电性能等其他优异性能，不能满足现代人对材料本身的多功能性的要求。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供上述具有高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，制备方法前后步骤衔接紧密，方法简单快捷，与现有生产工艺设备和流程可实现无缝对接，具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和，可实现石墨烯复合聚乙烯醇纤维的工业化生产、经济效益良好，制备出的纤维复合材料在实现传统高强、高模聚乙烯醇纤维纺丝工艺基础上，进一步翻倍提升纤维的力学性能，同时赋予了该纤维材料较高的韧性、耐热水性和抗静电性。

本发明的第二目的在于提供一种采用上述方法制得的高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维，该复合型纤维拉伸轻度、断裂伸长率等指标均有了质的提高，并且还额外赋予了纤维材料较高的韧性、耐热水性和抗静电性，进一步扩大了纤维材料的市场应用范围，提高了产品的附加值，有利于进一步推广应用。

本发明的第三目的在于提供上述具有高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的应用，该复合纤维材料应用非常广泛，广泛应用于各个行业。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，主要包括如下步骤：

(A)将石墨烯类物质水溶液进行预处理，得到石墨烯类物质分级水溶液，石墨烯类物质的D90指标控制在70μm以下；

(B)将PVA水溶液、硼酸与所述石墨烯类物质分级水溶液混合搅拌，得到PVA浓度为10-20wt％的含硼酸的纺丝原液；

(C)将纺丝原液过滤、脱泡、纺丝以及干燥后，即得。

高强度聚乙烯醇(PVA)纤维本身具有良好的亲水性、粘结性、抗冲击性以及加工过程中易于分散等，所以作为增强材料在水泥、石棉板材、陶瓷建材及聚合物基复合材料等方面已有很多应用。用高强度PVA纤维增强混凝土和建筑材料可有效地改善材料的抗冲击、抗弹性疲劳及防龟裂等性能。用高强度PVA纤维制成的土工布抗拉强度高，抗蠕变性好，耐磨、耐化学腐蚀、耐微生物及导水性优良，在工程施工中可起到加筋、隔离、保护、排水及防漏作用，可用于各种水坝以及公路、铁路、桥梁、隧道、淤浆、沙地等工程的压沙隔水、加固、铺垫、稳固基础以及防水隔离等，能显著提高施工质量，降低工程成本。用环氧树脂将高强度PVA纤维粘合成杆状物代替混凝土中的钢筋，用作土木建筑工程材料，可大大降低建筑构件的自重。由于高强度PVA纤维的断裂强度、抗冲击强度、耐气候性、耐海水腐蚀性等都比较好，适宜用作各种类型的渔网、渔具、渔线、绳缆等，在海洋捕鱼及运输工具等方面有很好的应用市场。尽管高强度PVA纤维的抗张强度和模量尚不如Kevlar、UHMW-PE纤维等，但其断裂比功大、粘接性好、价格低廉等，在防护复合材料方面有可能部分替代价格较高的Kevlar纤维等。虽然高强度聚乙烯醇纤维本身的性能比较优越，但是随着社会的不断进步，对材料性能的要求越来越高，现有的聚乙烯醇纤维已不能满足要求，开发一种新的复合材料迫在眉睫。

为了解决现有技术中存在的诸多技术问题，本发明提供了一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，这种制备方法制备出的复合型纤维不仅具备传统聚乙烯醇纤维材料的所有优异性能，而且性能有所提升的同时还赋予了纤维材料本身较高的韧性、耐热水性和抗静电性等附加性能，现有技术中制备石墨烯复合聚乙烯醇纤维时，一般是直接将石墨烯和聚乙烯醇在混合溶剂中混合均匀，纺丝、拉伸制得聚乙烯醇-石墨烯纳米复合纤维，但是这种方法制备出的纤维材料的性能一般，本发明在将石墨烯类物质(石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种混合，其中石墨烯衍生物包括元素掺杂的石墨烯，最终是利用其中的石墨烯结构)与聚乙烯醇混合之前，特意先将石墨烯类物质的水溶液进行预处理，这种预处理的方法现有技术中没有任何记载，本发明尚属首创。通过预处理后以保证石墨烯类物质的D90指标控制在50μm以下，优选30μm以下，目的是为了尽量保持石墨烯类物质的大片结构，确保石墨烯类物质不会发生层间团聚，防止不同片径石墨烯类物质带来的应力集中点断裂的问题，如果粒度太大、或者太小可能都会不利于后续与PVA分子链形成更为均一的无机-有机搭接结构，因此为了保证片径的均一性，更优的D90(表示粒径分布中占90％所对应的粒径)指标控制在5-25μm之间，还可以为7μm、10μm、12μm、14μm、16μm、18μm、40μm、48μm等，越是保持在同一粒径的石墨烯类物质才更有利于后续与PVA复合后，得到的产品各方面性能俱佳，因此需要严格控制其粒径。

所采用的石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种混合，所述石墨烯衍生物为经过改性的石墨烯。

优选地，所述石墨烯衍生包括元素掺杂石墨烯或官能团化石墨烯物中的任意1种或至少2种的组合。

优选地，所述元素掺杂石墨烯包括金属掺杂石墨烯或非金属元素掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合。

所述金属掺杂的金属元素典型但非限制性的包括钾、钠、金、银、铁、铜、镍、铬钛、钒或钴。

所述非金属元素掺杂石墨烯典型但非限制性的包括氮、磷、硼或硅。

优选地，所述非金属元素掺杂石墨烯包括氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯或硫掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合。

优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有官能团的石墨烯。

优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有羟基、羧基或氨基中的任意1种或至少2种的组合的石墨烯。

本发明所述羟基包括-R1-OH，所述R1包括烷烃基，典型但非限制性的羟基可以是甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基等。

本发明所述羧基包括-R2-COOH，所述R2包括烷烃基，典型但非限制性的羟基可以是甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基等。

本发明所述羧基包括-R3-NH₃，所述R3包括烷烃基，典型但非限制性的羟基可以是甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基等。

当然，实际操作时，具体采用的预处理方法包括：将石墨烯类物质水溶液超声分散、2000-3000rpm条件下离心操作后保留底部沉淀，上清液在5000-7000rpm条件下离心操作后分别得到二次底部沉淀与二次上清液，其中所述石墨烯类物质分级水溶液包括底部沉淀、二次底部沉淀、二次上清液中的任意一种制备得到，优选二次底部沉淀制备的水溶液。

第一步得到底部沉淀的离心操作速率比较低，后面上清液进一步离心操作的速率则比较高，因为沉淀中的物质颗粒度一般比较大，如果速率过快不利于大颗粒的物质沉积，后续上清液中的物质颗粒度一般比较小，因此速率需要快一些，以使颗粒度小的物质上浮存在上清液中。这样颗粒度比较一致的石墨烯类物质经过归类后在底部沉淀、或在二次底部沉淀、或在二次上清液中，石墨烯类物质分级水溶液可以选择上述经过分级处理的任意一种物质，均能保证具有颗粒度比较一致的石墨烯类物质，并且粒度的大小也比较适宜，以充分保证了片径的均一性，有利于后续保证制备出的产品的性能。

其中，超声分散的时间最好控制在1-3h，2000-3000rpm条件下离心操作的时间最好控制在20-40min之间，5000-7000rpm条件下离心操作的时间最好控制在10-30min之间，控制在较优的操作时间内更利于粒径分级处理的更为彻底，从而粒径分布的更加均匀。

另外，预处理后的石墨烯类物质水溶液的质量百分比浓度最好控制适宜，因为如果浓度太高，浓缩过程中容易发生片层间团聚，较低浓度的石墨烯溶胶液(石墨烯类物质水溶液)有利于PVA分子链以石墨烯为铺展平台进行有序化取向，以该溶胶为石墨烯添加原料以与PVA进行复合，较优的浓度为3wt％以下，更优选为2wt％以下，再优选0.05wt-1.5wt％之间。

将石墨烯类物质水溶液预处理后，先采用较低浓度的PVA水溶液与石墨烯类物质水溶液预混合，然后再逐步提高浓度，最后得到PVA浓度为10-20wt％的含硼酸的纺丝原液，优选的PVA浓度控制在15-16wt％之间，以通过设置浓度梯度的方式达到分散完全的目的，如果是将石墨烯类物质水溶液与含硼酸的PVA水溶液直接进行混合，这样的混合方式很容易发生团聚不利于混匀，从而影响产品的性能，本发明的设置梯度浓度复合的方式更加有利于最终产品的性能，具体操作时可以分成若干梯度，比如依次添加2-5wt％的PVA水溶液、6-8wt％的PVA水溶液、10-12wt％、25-40wt％等的PVA水溶液，梯度的数目没有具体限制，起始浓度控制在2-5wt％之间，如果为了操作方便也可以直接添加2-5wt％的PVA水溶液后，随后直接添加含硼酸的PVA水溶液(最后添加的含硼酸的PVA水溶液为梯度设置的浓度最大极限)，如果是分多次添加PVA水溶液，那么在PVA水溶液与所述石墨烯类物质分级水溶液混合后，最后再添加硼酸，硼酸的浓度优选控制在2-5wt％之间。实际操作时，可以根据工艺的实际需要进行具体调整，比如PVA的浓度设置梯度与PVA溶液的添加次数等，总之通过采用本发明的这种梯度浓度复合的方式，解决了纺丝原液中溶质分散不完全的问题，并大幅度提高了石墨烯复合聚乙烯醇纤维的性能。

优选地，分多次添加PVA水溶液时每次添加后搅拌的时间控制在1-2h，温度控制在90-100℃之间，如果温度太低PVA水溶液无法与石墨烯类物质水溶液混合搅拌均匀，会出现团聚的颗粒，影响产品性能，因此温度最好控制在适宜的范围内。

还有，PVA水溶液的聚合度最好控制在1700-2500之间，醇解度最好控制在88-99％之间，因为PVA的聚合度和醇解度会显著影响聚乙烯醇纤维的拉伸强度和拉伸模量，一般PVA的聚合度和醇解度越高，聚乙烯醇纤维的拉伸强度和拉伸模量越高。

在后续纺丝原液进行过滤、脱泡、纺丝以及干燥之前，最好先在纺丝原液中添加交联剂缩醛化处理、还原剂还原处理后，添加交联剂的目的是为了把PVA和石墨烯交联，从而实现高分子在纳米石墨烯片表面有序的排列，避免高分子的缠结，有利于纺丝后处理的高倍热拉伸，从而提高PVA纤维的性能。石墨烯类物质本身作为一种无机填料，添加还原剂可以提高PVA纤维的耐热水性，纺丝原液中加入交联剂属于前交联，也可在制备出初生纤维后再进行交联，这种交联属于后交联，无论是前交联还是后交联都可以得到高性能PVA纤维，如果纺丝原液中加入的是氧化石墨烯，还原步骤可以在纺丝原液中进行，也可以在制备好纤维之后再进行还原，无论是前交联还是后交联，前还原还是后还原，均在本发明的专利保护范围内，交联剂可包括乙二醛、戊二醛、甲醛、硼酸以及硼砂中的一种或几种混合物，纺丝原液中交联剂的浓度控制在0.0075-0.45wt％之间，还原剂可包括硼氢化钠、抗坏血酸、水合肼以及氢碘酸中的一种或几种混合物，纺丝原液中还原剂的浓度控制在0.1-3wt％之间。

最后，纺丝原液在85-120℃的条件下过滤、脱泡，85-120℃的原因是为了防止冻胶，以免对纤维的性能造成影响，纺丝原液由喷丝孔直径为0.08-0.30mm的喷丝板中挤出，纺出的丝进入40-45℃的芒硝凝固浴成形变成初生纤维，初生纤维经酸洗、水洗、干燥后，再经过热拉伸和热定型处理，即得到高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。通过控制PVA的量和石墨烯类物质的量，使得所述石墨烯复合聚乙烯醇纤维中，石墨烯类物质的含量在3wt％以下，优选2wt％以下，更优为0.05wt-1.5wt％之间。

优选地，脱泡方式为常压静止脱泡或真空脱泡，热拉伸温度控制在120-250℃，热拉伸倍数为10-37倍，热定型时间为1-15min。

采用上述制备方法制备得到的石墨烯复合聚乙烯醇纤维进一步翻倍提升纤维的力学性能，同时赋予该纤维较高的韧性、耐热水性和抗静电性，应用非常广泛，作为增强材料、建筑材料在建筑行业、运输行业等多个行业均有很广阔的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，前后步骤衔接紧密，方法简单快捷，与现有生产工艺设备和流程可实现无缝对接，具有能完整保留原料的有效成份的优点；

(2)本发明的制备方法简单易于操作，操作条件温和，可实现石墨烯复合聚乙烯醇纤维的工业化生产、经济效益良好，制备出的纤维复合材料在实现传统高强、高模聚乙烯醇纤维纺丝工艺基础上，进一步翻倍提升纤维的力学性能，同时赋予了该纤维材料较高的韧性、耐热水性和抗静电性；

(3)本发明的高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率等指标均有了质的提高，并且还额外赋予了纤维材料较高的韧性、耐热水性和抗静电性，进一步扩大了纤维材料的市场应用范围，提高了产品的附加值，有利于进一步推广应用。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法如下：

1)在水中加入氧化石墨烯，超声分散得到稳定的分散液，将该悬浮液在2000rpm转速下进行第一次离心，离心时间20min除去底部沉淀，上清液在5000rpm转速下进行第二次离心，离心时间10min得到二次底部沉淀，将二次底部沉淀加水超声得到1.5wt％的分级氧化石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～25μm)；

2)将浓度为1.5wt％的氧化石墨烯溶胶液与浓度为5wt％的PVA水溶液进行预混合(聚合度为1700，醇解度为99％)得到预混料，将该预混料与10wt％的PVA水溶液再次进行混合(聚合度为2500，醇解度为88％)，90℃下搅拌1h，再加入25wt％PVA水溶液和硼酸溶液，最终配成PVA浓度15wt％、硼酸浓度2wt％的水溶液；

3)然后引入抗坏血酸还原剂10g，提高温度至100℃，继续搅拌并还原2h，得到纺丝原液(纺丝原液中，还原剂的浓度为0.1wt％，PVA的浓度为15wt％)，将纺丝原液于90℃下经过过滤，常压静止脱泡后，经直径为0.1mm的喷丝孔挤出到芒硝凝固浴中，纺出的丝变成初生纤维，对所述的初生纤维进行酸洗、水洗、缩醛化处理(戊二醛1％，2min，80℃)、干燥、热拉伸和热定型处理，热拉伸温度为140℃，热拉伸倍数为20倍，热定型时间为5min，最终得到具有超高强度、超高模量性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维，纤维中氧化石墨烯含量为1.5wt％。

实施例2

与实施例1的区别点在于步骤1)中选用3000rpm转速下第一次离心得到的底部沉淀，加水超声得到2wt％的分级氧化石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～30μm)，得到的纺丝原液中，还原剂的浓度为3wt％，PVA的浓度为16wt％，最终得到氧化石墨烯含量为1.5wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例3

与实施例1的区别点在于步骤1)中选用将上清液在7000rpm转速下再次离心后的二次上清液，制备得到3wt％的分级氧化石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～5μm)，得到的纺丝原液中，还原剂的浓度为2wt％，PVA的浓度为15wt％，最终得到氧化石墨烯含量为1.5wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例4

与实施例1的区别点在于步骤1)中将氧化石墨烯替换为石墨烯，二次底部沉淀加水超声得到1wt％的分级石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～10μm)，最终得到氧化石墨烯含量为1.5wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例5

与实施例1的区别点在于步骤1)中将氧化石墨烯替换为生物质石墨烯，二次底部沉淀加水超声得到0.5wt％的分级石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～12μm)，最终得到氧化石墨烯含量为1.5wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例6

与实施例1的区别点在于步骤1)中选用2000rpm转速下第一次离心得到的上清液，得到1.5wt％的分级氧化石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～16μm)，最终得到氧化石墨烯含量1.5wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例7

与实施例1的区别点在于步骤1)中分级氧化石墨烯溶胶液的浓度为0.05wt％的(片径分布为D90：～16μm)；步骤2)中，将氧化石墨烯溶胶液与质量分数为5wt％的PVA水溶液(聚合度为2000，醇解度为88％)100℃进行预混合搅拌2h、质量分数为10wt％的PVA水溶液(聚合度为2000，醇解度为99％)95℃进行预混合2h后得到预混料，将该预混料与25wt％的PVA水溶液和硼酸溶液进行混合(聚合度为2500，醇解度为88％)，95℃下搅拌1.5h，最终配制PVA浓度为20wt％、硼酸浓度5wt％的水溶液，步骤3)中还原剂选择为硼氢化钠，同时添加交联剂乙二醛，使得纺丝原液中还原剂的浓度为3wt％，交联剂的浓度为0.45wt％，最终得到氧化石墨烯含量0.05wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例8

与实施例1的区别点在于步骤1)中分级氧化石墨烯溶胶液的浓度为3wt％的(片径分布为D90：～16μm)；步骤2)中，将氧化石墨烯溶胶液与质量分数为2wt％的PVA水溶液(聚合度为2000，醇解度为88％)90℃进行预混合搅拌1h得到预混料，将该预混料与质量分数为10wt％的PVA水溶液(聚合度为2000，醇解度为99％)95℃进行混合2h后，再添加硼酸得到纺丝原液，纺丝原液中，PVA浓度10wt％、硼酸浓度4wt％，步骤3)中还原剂选择为氢碘酸与抗坏血酸，同时添加交联剂乙二醛与甲醛，使得纺丝原液中还原剂的浓度为2wt％，交联剂的浓度为0.0075wt％，最终得到氧化石墨烯含量3wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例9

与实施例1的区别点在于步骤1)中选用7000rpm转速下再次离心得到的二次沉淀，得到1wt％的分级氧化石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～16μm)，最终得到氧化石墨烯含量1wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例10

与实施例1的区别点在于步骤1)中选用7000rpm转速下再次离心得到的二次沉淀，得到2.5wt％的分级氧化石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～16μm)，最终得到氧化石墨烯含量2wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例11

与实施例1的区别点在于步骤1)中选用7000rpm转速下再次离心得的沉淀，得到2.5wt％的分级氧化石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～50μm)，最终得到氧化石墨烯含量1.5wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实施例12

与实施例1的区别点在于步骤1)中选用7000rpm转速下再次离心得的沉淀，得到2.5wt％的分级氧化石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～70μm)，最终得到氧化石墨烯含量1.5wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

比较例1

在水中加入制备得到的氧化石墨烯(D90：～25μm)，超声分散1h，将质量分数为1.5wt％的氧化石墨烯直接引入到PVA溶液(聚合度为2000，醇解度为99％)和硼酸溶液中，得到PVA浓度为15wt％，硼酸浓度2.5wt％的水溶液，95℃下搅拌1h，引入10g抗坏血酸，继续搅拌2h，最终得到纺丝原液。将纺丝原液于90℃下经过过滤，常压静止脱泡后，经直径为0.1mm的喷丝孔挤出到芒硝凝固浴中，纺出的丝变成初生纤维，对所述的初生纤维进行酸洗、水洗、缩醛化处理(戊二醛1％，2min，80℃)、干燥、热拉伸和热定型处理，热拉伸温度为200℃，热拉伸倍数为10倍，热定型时间为12min。最终得到氧化石墨烯含量为1.5wt％的石墨烯复合聚乙烯醇的纤维。

比较例2

与比较例1的区别在于，在水中加入氧化石墨烯，超声分散得到稳定的分散液，将该悬浮液在1000rpm转速下离心除去底部沉淀，上清液在9000rpm转速下离心得到二次底部沉淀，将二次底部沉淀加水超声得到1.5wt％的分级氧化石墨烯溶胶液(片径分布为D90：～25μm)，后续添加PVA溶液的方法与比较例1一致，最终得到氧化石墨烯含量1.5wt％的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

比较例3

采用专利CN104328533A中实施例1的制备方法制备得到的石墨烯复合聚乙烯醇纤维。

实验例1

将本发明实施例1-12与比较例1-3制备得到的石墨烯复合聚乙烯醇纤维材料的性能进行对比，检测标准：拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率均采用GB/T19975-2005标准。具体结果如下表1所示：

表1性能参数对比

从上表1中可以看出，本发明实施例制备得到的石墨烯复合聚乙烯醇的各方面性能均较优，适于广泛推广应用。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种高性能的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

(A)将石墨烯类物质水溶液进行预处理，得到石墨烯类物质分级水溶液，石墨烯类物质的D90指标控制在70μm以下；

(B)将PVA水溶液、硼酸与所述石墨烯类物质分级水溶液混合搅拌，得到PVA浓度为10-20wt％的含硼酸的纺丝原液；

(C)将纺丝原液过滤、脱泡、纺丝以及干燥后，即得。

2.根据权利要求1所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(A)中，预处理的方法包括：将石墨烯类物质水溶液超声分散、2000-3000rpm条件下离心操作后保留底部沉淀，上清液在5000-7000rpm条件下离心操作后分别得到二次底部沉淀与二次上清液；

其中，所述石墨烯类物质分级水溶液包括底部沉淀、二次底部沉淀、二次上清液中的任意一种制备得到，优选二次底部沉淀；

优选地，所述石墨烯类物质分级水溶液中，石墨烯类物质的浓度控制在3wt％以下，更优选为2wt％以下。

3.根据权利要求2所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，超声分散的时间控制在1-3h；

优选地，2000-3000rpm条件下离心操作的时间控制在20-40min；

优选地，5000-7000rpm条件下离心操作的时间控制在10-30min。

4.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，石墨烯类物质的D90指标控制在50μm以下，优选30μm以下，更优选为5-25μm之间；

优选的，石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种的混合，其中石墨烯衍生物包括元素掺杂的石墨烯。

5.根据权利要求1所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，PVA水溶液分多次并逐渐提高浓度的方式进行添加，起始浓度控制在2-5wt％之间；

优选地，PVA水溶液与所述石墨烯类物质分级水溶液混合后，再添加硼酸；

优选地，所述纺丝原液中，PVA的浓度控制在15-16wt％之间；

优选地，所述纺丝原液中，硼酸的浓度控制在2-5wt％之间。

6.根据权利要求5所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，纺丝原液中，分多次添加PVA水溶液时每次添加后搅拌的时间控制在1-2h，温度控制在90-100℃之间。

7.根据权利要求1所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，所述PVA水溶液的PVA聚合度控制在1700-2500之间，醇解度控制在88-99％之间。

8.根据权利要求1所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，纺丝原液中添加交联剂缩醛化处理、还原剂还原处理后再进行过滤；

优选地，交联剂包括乙二醛、戊二醛、甲醛、硼酸以及硼砂中的一种或几种混合物，所述纺丝原液中交联剂的浓度控制在0.0075-0.45wt％之间；

优选地，还原剂包括硼氢化钠、抗坏血酸、水合肼以及氢碘酸中的一种或几种混合物，所述纺丝原液中还原剂的浓度控制在0.1-3wt％之间。

9.采用权利要求1-8任一项所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维的制备方法制备得到的石墨烯复合聚乙烯醇纤维；

优选地，所述石墨烯复合聚乙烯醇纤维中，石墨烯类物质的含量在3wt％以下，优选2wt％以下，更优为0.05wt-1.5wt％之间。

10.权利要求9所述的石墨烯复合聚乙烯醇纤维作为增强材料、建筑材料在建筑行业、运输行业方面的应用。