[发明专利]一种水溶性聚合物/石墨烯复合纤维及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯复合纤维领域，特别涉及一种水溶性聚合物/石墨烯复合纤维及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯具有非常高比表面积和极其优异的力学、热学、电学和光学性能，具有非常广阔的应用。目前石墨烯的宏观材料包括粉体、纤维、薄膜、纸张、气凝胶、泡沫等形式，其中石墨烯纤维具有非常好的柔性和纺织加工性，且其强度、导电性、导热性等性能更为优良，因此具有更广阔的应用前景

但纯石墨烯纤维由石墨烯纳米片堆积而成，强度较低、脆性很大，且层间紧密堆积，使其应用受到较大的限制。为此研究人员通常采用添加其他聚合物的方法对石墨烯纤维进行改性。例如，在专利CN102181961B中，将石墨烯与海藻酸钠共混配制纺丝液，然后进行湿法纺丝，获得具有很高强度的复合纤维；但其中石墨烯添加量很低(小于15％)，复合纤维的导电性低，且海藻酸钠的高成本会限制该复合纤维的广泛应用。又如在专利CN103541043A中，在氧化石墨烯纺丝中添加超支化聚合物或聚乙烯醇，然后通过旋转纺丝获得具有高强度和断裂伸长率的复合纤维；但超支化聚合物同样具有成本高的问题，而与聚乙烯醇复合时，氧化石墨烯处于液晶态，片层间有很强的氢键作用，因此PVA的分散效果差、混合时间长，难以提高纺丝液浓度，生产效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水溶性聚合物/石墨烯复合纤维及其制备方法和应用，解决了纯石墨烯纤维脆性大、强度低等缺陷，以及现有水溶性聚合物/石墨烯复合纤维制备过程中混合分散困难、原料成本高等问题。

本发明的一种水溶性聚合物/石墨烯复合纤维，所述纤维截面呈现异形，纤维表面具有取向的微纤状结构；纤维强度大于100MPa，断裂伸长率大于2％，电导率大于0.1S/cm。

所述水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、水溶性淀粉以及它们的衍生物中的一种或几种，优选聚乙烯醇。

本发明的一种水溶性聚合物/石墨烯复合纤维的制备方法，包括：

(1)将氧化石墨烯(简称GO，也可以为氧化石墨)添加到碱液中，通过剥离分散处理得到0.2wt％～20wt％GO分散液(低粘度、非液晶性)；然后与质量分数为0.2wt％～20wt％的水溶性聚合物(简称WSP)水溶液混合，分散处理，最后添加碱液调节pH值，得到WSP/GO复合纺丝液；

或者氧化石墨烯添加到pH>7、0.1wt％-10wt％的水溶性聚合物WSP水溶液中，通过剥离分散处理，得到分散均匀的复合溶液，最后添加碱液调节pH值，得到WSP/GO复合纺丝液；

其中，所述水溶性聚合物与氧化石墨烯的质量比为1:99～80:20，优选5:95～50:50；

(2)将上述纺丝液挤出到凝固浴中固化，经牵伸、干燥和卷绕得到水溶性聚合物/氧化石墨烯复合纤维；

(3)将上述复合纤维在液体环境或气体环境中进行化学或物理还原处理，得到水溶性聚合物/石墨烯复合纤维。

所述步骤(1)中的碱液为氢氧化物水溶液、水溶性有机胺水溶液、碳酸盐水溶液、碳酸氢盐水溶液、磷酸盐水溶液、吡啶水溶液中的一种或几种，优选氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。

所述步骤(1)中的纺丝液的pH值为4～13，优选7～11；固含量(总固体所占质量分数)为0.2wt％～20wt％，优选2wt％～5wt％。

所述步骤(2)中的凝固浴处于旋转的容器中或在管道中流动或处于凝固槽中保持静置；凝固浴是由无机酸和无机盐中的一种或几种组成的水溶液或者是由有机酸、醇、胺、酮、酰胺、吡啶、吡咯、水中的一种或几种组成的液体，优选醋酸水溶液。

第一种是采用静置的凝固浴，通过调节湿态纤维的引出速度即卷绕速度控制喷头拉伸比，凝固时间通过调节凝固路程的长度和引出速度来控制。

第二种是采用旋转的凝固浴，将喷丝孔置于离旋转中心一定的距离，调节凝固浴旋转的转速即调节喷丝孔处的旋转线速度，从而控制喷头拉伸比，凝固时间通过调节凝固路程的长度和引出速度来控制。

第三种是采用流动的凝固浴，喷丝孔置于流动凝固浴的中心线上，调节凝固浴的平均流速即控制喷丝孔处的速度，从而控制喷头拉伸比，凝固时间通过调节凝固路程的长度和凝固浴的流动速度来控制。

所述步骤(2)中的牵伸过程中喷头拉伸比为0.2～5，优选0.5～2。

所述步骤(2)中的干燥为远红外辐射干燥、热槽加热、热风加热、微波辐射加热中的一种或几种，优选远红外辐射干燥。