[发明专利]氧化石墨烯纤维、制备方法及其复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，尤其涉及一种氧化石墨烯纤维、其制备方法及其复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶体，具有超高比表面积、优良的导电、导热性能以及超高的机械强度等优异的性能，因此使其在很多领域有良好的应用前景，例如：场效应晶体管、高频器件、超级微处理器和单分子探测器、可控透气膜、各向异性离子传导体、超级电容器等领域。然而石墨烯应用的一大阻碍问题就是石墨烯宏观结构的组装。目前在石墨烯薄膜以及块体组装方面有较多成功案例，但在纤维方面却只有纺丝和铸模两种方法，且只能得到单根石墨烯纤维。

目前利用石墨烯构筑纤维的技术中，浙江大学高超等人制备石墨烯纤维的方法具体为：将5wt%的NaOH/甲醇溶液中挤入氧化石墨烯晶态溶液，得到氧化石墨烯细丝后，再放入碘酸中加热还原，即得到直径约为50～100μm的石墨烯纤维（Xu Z，Gao C.NATURE COMMUNICATIONS 2011,10:1038）。北京理工大学曲良体等人制备石墨烯纤维的方法具体为：将一定浓度的氧化石墨烯水溶液注入到线形反应器，于100℃～1000℃加热线形反应器1h～6h，氧化石墨烯还原为含水石墨烯纤维；将所述含水石墨烯纤维在20℃～60℃干燥，含水石墨烯纤维失水收缩得到石墨烯纤维（Dong ZL,Jiang CC,Cheng HH,Zhao Y,Shi GQ,Jiang L,Qu LT.Adv.Mater.2012,24:1856 1861）。上述方法得到的石墨烯纤维直径较大，直径约为33μm，且一次只能得到单根纤维，从而限制了其在产业中的应用。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种氧化石墨烯纤维，本发明制备的石墨烯纤维的直径较小且具有连续的骨架结构。

有鉴于此，本发明提供了一种氧化石墨烯纤维，所述氧化石墨烯纤维的直径为100～500nm。

本发明还提供了所述氧化石墨烯纤维的制备方法，包括：

将氧化石墨烯水溶液在液氮中进行冷冻固化，然后进行冷冻干燥处理，得到氧化石墨烯纤维；所述氧化石墨烯按照化学氧化法制得。

优选的，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.2～2.0mg/mL。

优选的，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.8～1.25mg/mL。

本发明还提供了一种氧化石墨烯纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）将氧化石墨烯水溶液在液氮中进行冷冻固化，然后进行冷冻干燥处理，得到氧化石墨烯纤维；所述氧化石墨烯按照化学氧化法制得；

2）将所述氧化石墨烯纤维进行热还原处理；

3）将步骤2）得到的氧化石墨烯纤维与树脂混合后进行固化，得到氧化石墨烯纤维复合材料。

优选的，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.2～2.0mg/mL。

优选的，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.8～1.25mg/mL。

优选的，所述热还原处理的温度为50℃～200℃，所述热还原处理的时间为0.5～10h。

优选的，所述树脂为环氧树脂。

优选的，步骤3）具体为：

将环氧树脂与固化剂混合，然后与步骤1）得到的氧化石墨烯纤维进行复合，在60～80℃保温1～2h，然后升温至100～120℃保温1～2h后，冷却。

与现有技术相比，本发明提供了一种氧化石墨烯纤维骨架、制备方法及其复合材料的制备方法。由于本发明中氧化石墨烯采用化学氧化法制备，其氧化程度很高，含有丰富的含氧官能团，亲水性很好；在制备氧化石墨烯纤维骨架的过程中，首先将氧化石墨烯水溶液在液氮中冷冻固化，在快速冷冻固化过程中，液态水爆发性结晶，迅速形成大量均匀的纳米冰晶，氧化石墨烯被挤压在纳米冰晶之间形成三维网状结构的纤维骨架；然后将冷冻固化后的氧化石墨烯进行冷冻干燥，将三维网状结构的氧化石墨烯之间的冰升华，使得氧化石墨烯纤维骨架原位保存下来，得到的氧化石墨烯纤维呈三维网状结构，本发明制备的氧化石墨烯纤维骨架的纤维直径为100～500nm。基于该材料制备了增强环氧树脂复合材料，试验结果表明，与环氧树脂复合后可以使其拉伸强度提高85%，与同基体、同质量分数的碳纤维无屈曲织物增强环氧树脂相比，拉伸强度提高38%。

附图说明

图1为本发明实施例1氧化石墨烯纤维骨架的扫描电镜照片（SEM）；

图2为本发明实施例1氧化石墨烯纤维骨架的扫描电镜照片（SEM）。

具体实施方式