[发明专利]石墨烯‑聚乙烯醇功能复合纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯-聚乙烯醇功能复合纤维的制备方法，属于复合纤维材料技术领域。

背景技术

高强度聚乙烯醇(PVA)纤维有良好的亲水性、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、价格低廉等在增强和防护复合材料方面有可能部分替代价格较高的Kevlar纤维等。因此，高强高模量聚石墨烯-聚乙烯醇(Graphene-PVA)复合纤维的开发具有重要的研究价值和巨大的应用前景与市场潜力。

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，因此高强高模量Graphene-PVA复合纤维的制备尤为重要。纤维的高强高模量化既取决于其化学结构和分子结构，也与其超分子结构相关。PVA的理论极限强度分别为27GPa，结晶模量分别为255GPa。而迄今为止制得PVA纤维的最高模量为115GPa。为了获得高性能的纤维材料，拓展其应用范围，PVA纤维的强度和模量还有进一步提升的空间，因而如何通过材料结构设计和复合过程，获得高强高模量的纳米复合材料是必要而迫切的。

碳广泛存在于自然界中，是构成生命有机体的基本元素之一。石墨烯(Graphene)作为一种碳质新材料，由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子以sp²杂化连接而成的单原子层组成。是构成其他碳同素异形体的基本单元。它可折叠成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆垛成三维的石墨和金刚石。具有极好的结晶性及电学和优异的力学性能。石墨烯强度高，性能可与金刚石媲美，实测抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1T Pa，石墨烯薄片只有一个原子层厚(0.335nm)，仅为头发的20万分之一，是目前世界上已知的最薄最硬的材料。此外，石墨烯超大的比表面积、突出的机械性能、优异紫外线阻隔和抗菌性能，广泛应用于新型高强度和多功能纳米复合材料之中。本发明利用石墨烯超大的比表面积和优异的机械性能及多功能性，用凝胶-冻胶纺丝的方法制备高强高模量、抗菌、抗紫外线辐射的Graphene-PVA功能复合纤维。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产工艺简单、成本低的高强高模量、抗菌、抗紫外线辐射石墨烯-聚乙烯醇功能复合纤维的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种石墨烯-聚乙烯醇功能复合纤维的制备方法，其包括如下步骤：

将石墨烯或石墨烯衍生物与聚乙烯醇在混合溶剂中混匀后，加入凝胶剂，得到凝胶液，凝胶液在冻胶纺丝过程中，能形成更好的凝胶结构，凝胶结构能有效的减少高分子链的缠结，后经超倍拉伸使分子链完全伸展开，形成有效取向而大大提高纤维的强度；

将所述凝胶液喷丝至凝固浴中，得到冻胶丝；

将所述冻胶丝经多倍热拉伸，得到所述石墨烯-聚乙烯醇功能复合纤维。

作为优选方案，所述混合溶剂为有机溶剂和水的混合物，其中，有机溶剂和水的重量比为95:5～70:30。

作为优选方案，所述有机溶剂选自二甲基亚砜、乙二醇、丙二醇、甘油、正丁醇、异丁醇、二缩三乙二醇、四氢呋喃中的一种或几种。

作为优选方案，所述冻胶丝的制备方法为：

将所述凝胶液于80～120℃下过滤、脱泡后，经喷丝到-15～5℃的甲醇凝固浴中，所述凝胶液被急冷形成冻胶丝。

作为优选方案，所述凝胶剂选自戊二醛、环氧氯丙烷、硅酸盐、硼酸盐中的至少一种。

作为优选方案，所述喷丝过程选择的喷丝板的孔径为0.06～0.15mm，孔数为1500～6000。