CN109022339B - 一种表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜的制备方法。所述方法先对玻璃基底进行硅烷化处理，将氧化石墨烯分散液采用提拉覆膜法在玻璃基底表面制备氧化石墨烯薄膜，再利用静电纺丝技术，在氧化石墨烯薄膜表面定向纺丝，制备表面附有定向聚丙烯腈纳米纤维的复合材料，之后复合材料经水合肼还原，氧化石墨烯还原成石墨烯，最后还原后的复合材料进行氧等离子体刻蚀，剥去未被纤维覆盖的石墨烯，制得表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜。本发明将定向纳米纤维与石墨烯薄膜相结合，以定向纤维划分的石墨烯薄膜经刻蚀后，其比表面积及细胞附着力显著增强，可作为培养细胞定向分裂分化的优良载体，在生物学领域有着良好的应用前景。

Description

一种表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备领域，涉及一种表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜的制备方法。
背景技术
石墨烯由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成，是只有一个原子厚度的准二维材料，因其良好的力学性能、导电导热性以及生物相容性，迅速成为功能材料领域的热点。
石墨烯的氧化物的表面含有丰富的含氧基团，在多种相互作用下易与蛋白结合，在促进细胞生长、调控细胞行为方面具有重要意义。目前，单纯的石墨烯薄膜缺少定向的结构，在细胞培养过程中无法诱导细胞定向生长分化。目前在石墨烯薄膜修饰定向纳米纤维，往往是将定向纳米纤维从接收装置上转移到玻璃片培养基底上，该过程不仅增加了实验的繁琐性，而且在转移纤维的过程中存在较大程度破坏纤维定向性的可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，氧化石墨烯分散液的制备：
将氧化石墨在水中超声分散180～240min，得到1.0～2.0mg/mL的氧化石墨烯分散液；
步骤2，硅烷化玻璃基底的制备：
将玻璃基底用食人鱼(Piranha)溶液刻蚀2～3h，依次用乙醇和水清洗，置于3-氨丙基三乙基硅烷的甲苯溶液中刻蚀20～40min，依次用甲苯、乙醇与水清洗，得到硅烷化玻璃基底；
步骤3，氧化石墨烯薄膜的制备：
在氧化石墨烯分散液中，采用提拉覆膜法在硅烷化玻璃基底表面制备氧化石墨烯薄膜，提拉速度为500～600nm/s；
步骤4，聚丙烯腈纺丝液的制备：
将聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在45～65℃下160～200r/min搅拌10～15h，离心脱泡，得到质量分数为10～20％的聚丙烯腈纺丝液；
步骤5，定向纺丝：
以聚丙烯腈纺丝液为静电纺丝液，在氧化石墨烯薄膜表面进行定向静电纺丝，纺丝条件为内径为0.5mm的金属针，1～3mL/h的推进速度，14～16kV的纺丝电压，10～15cm的接收距离，10～20s的纺丝时间，1500～2500r/min的转速，得到表面附有定向纤维的氧化石墨烯复合材料；
步骤6，氧化石墨烯的还原和氧等离子体刻蚀处理：
将步骤5得到的复合材料置于水合肼的N,N-二甲基甲酰胺溶液中，真空静置还原40～50h，将还原后的复合材料进行氧等离子体刻蚀处理，剥离未被纤维覆盖的石墨烯，得到表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜。
优选地，步骤2中，所述的甲苯与3-氨丙基三乙基硅烷的体积比为29:1。
优选地，步骤6中，所述的80％水合肼的质量分数为60％。
优选地，步骤6中，所述的氧等离子体刻蚀条件为氧气流量10.0～30.0sccm，射频功率30～70W，反应压力5～15Pa。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明直接将定向纳米纤维与石墨烯薄膜相结合，既免去了纤维转移的繁琐过程，又充分利用了石墨烯薄膜的理化性质，以定向纤维划分的石墨烯薄膜经刻蚀后，其比表面积及细胞附着力显著增强，在细胞培养过程中细胞更易附着在石墨烯薄膜上，可作为培养细胞定向分裂分化的优良载体，在生物学领域有着良好的应用前景。
附图说明
图1为氧化石墨烯薄膜的扫描电镜图。
图2为还原后氧化石墨烯薄膜的实物图。
图3为表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜的扫描电镜图。
图4为表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1
(1)将氧化石墨烯固体25mg加入到25mL超纯水中，超声分散处理4h。量取98％的浓硫酸15mL和30％的过氧化氢35mL，充分混合制备Piranha溶液。量取58mL甲苯和2mL 3-氨丙基三乙基硅烷充分混合制得硅烷偶联剂溶液。
(2)将洁净的载玻片置于食人鱼溶液中，静置2h后取出，依次用乙醇和超纯水清洗，再放入3-氨丙基三乙基硅烷溶液中静置30min，依次用甲苯、乙醇与超纯水清洗，制得硅烷化玻璃基底。
(3)将硅烷化玻璃基底固定在提拉设备上，设定提拉速度为550nm/s，提拉开始时将玻璃片浸入氧化石墨烯溶液中，浸入的部分即最后得到涂覆的部分，得到的氧化石墨烯薄膜扫描电镜图如图1所示，从图中可以看出氧化石墨烯薄膜表面平整。
(4)将1.5g聚丙烯腈原丝溶于10mL N,N-二甲基甲酰胺中，室温下超声分散12h，得到聚丙烯腈纺丝溶液。
(5)搭建定向纺丝装置，使用21号平口针头，在25℃，湿度为40％，电压为15kV的条件下进行纺丝，推进速度为1.2mL/h，接收距离为10cm，接收时间为15s，转速设为2000r/min，制得表面附有定向纤维的氧化石墨烯复合材料。
(6)量取80％的水合肼15mL和N,N-二甲基甲酰胺5mL充分混合制备还原溶液。将复合材料置于还原溶液中，室温条件下真空静置还原48h，取出，得到还原后的复合材料，如图2所示。
(7)将还原后的复合材料放入氧等离子体清洗机中进行刻蚀，刻蚀的条件为，氧气流量20.0sccm，射频功率50W，反应压力10.00Pa，剥离未被纤维覆盖的石墨烯，得到表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜，如图3所示。从图中可以看出石墨烯薄膜被纤维规整的划分，其横截面示意图如图4所示，未被纤维覆盖的石墨烯被氧等离子体刻蚀。
实施例2
(1)将氧化石墨烯固体50mg加入到25mL超纯水中，超声分散处理4h。量取98％的浓硫酸15mL和30％的过氧化氢35mL，充分混合制备Piranha溶液。量取58mL甲苯和4mL 3-氨丙基三乙基硅烷充分混合制得硅烷偶联剂溶液。
(2)将洁净的载玻片置于食人鱼溶液中，静置2h后取出，依次用乙醇和超纯水清洗，再放入3-氨丙基三乙基硅烷溶液中静置30min取出，依次用甲苯、乙醇与超纯水清洗，制得硅烷化玻璃基底。
(3)将硅烷化玻璃基底固定在提拉设备上，设定提拉速度为550nm/s，提拉开始时将玻璃片浸入到氧化石墨烯溶液中，浸入的部分即最后得到涂覆的部分，得到氧化石墨烯薄膜。
(4)将1.5g的聚丙烯腈原丝溶于10mL N,N-二甲基甲酰胺中，室温下超声分散12h，得到聚丙烯腈纺丝溶液。
(5)搭建定向纺丝装置，使用21号平口针头，在25℃，湿度为40％，电压为15kV的条件下进行纺丝，推进速度为1.2mL/h，接收距离为10cm，接收时间为15s，转速设为2000r/min，制得表面附有定向纤维的氧化石墨烯复合材料。
(6)量取80％的水合肼15mL和N,N-二甲基甲酰胺5mL充分混合制备还原溶液。将复合材料置于还原溶液中，在室温条件下真空静置还原48h，取出，得到还原后的复合材料。
(7)将还原后的复合材料放入氧等离子体清洗机中进行刻蚀，刻蚀条件为，氧气流量20.0sccm，射频功率50W，反应压力10.00Pa，剥离未被纤维覆盖的石墨烯，得到表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜。

Claims (4)

1.一种表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，氧化石墨烯分散液的制备：
将氧化石墨烯在水中超声分散180~240min，得到1.0~2.0 mg/mL的氧化石墨烯分散液；
步骤2，硅烷化玻璃基底的制备：
将玻璃基底用食人鱼溶液刻蚀2h，依次用乙醇和水清洗，置于3-氨丙基三乙基硅烷的甲苯溶液中刻蚀30min，依次用甲苯、乙醇与水清洗，得到硅烷化玻璃基底；
步骤3，氧化石墨烯薄膜的制备：
在氧化石墨烯分散液中，采用提拉覆膜法在硅烷化玻璃基底表面制备氧化石墨烯薄膜，提拉速度为550nm/s；
步骤4，聚丙烯腈纺丝液的制备：
将聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在45~65℃下160~200r/min搅拌10~15h，离心脱泡，得到质量分数为15%的聚丙烯腈纺丝液；
步骤5，定向纺丝：
以聚丙烯腈纺丝液为静电纺丝液，在氧化石墨烯薄膜表面进行定向静电纺丝，纺丝条件为内径为0.5mm的金属针，1.2 mL/h的推进速度，15kV的纺丝电压，10cm的接收距离，15s的纺丝时间，2000r/min的转速，得到表面附有定向纤维的氧化石墨烯复合材料；
步骤6，氧化石墨烯的还原和氧等离子体刻蚀处理：
将步骤5得到的复合材料置于水合肼的N,N-二甲基甲酰胺溶液中，真空静置还原48h，将还原后的复合材料进行氧等离子体刻蚀处理，剥离未被纤维覆盖的石墨烯，得到表面修饰定向纳米纤维的石墨烯薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的甲苯与3-氨丙基三乙基硅烷的体积比为29:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤6中，所述的水合肼的N,N-二甲基甲酰胺溶液中，水合肼的质量分数为60%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤6中，所述的氧等离子体刻蚀条件为氧气流量20sccm，射频功率50W，反应压力10Pa。
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