[发明专利]一种新型聚多巴胺基包覆的石墨烯纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯纤维制备技术领域，具体地，涉及一种新型高机械强度高导电性聚多巴胺基包覆的石墨烯纤维及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子构成的二维单层蜂窝状的碳原子的新材料，具有目前世界上最薄的厚度、最坚硬的硬度，并且本身具有的优异电学性能、热学性能、超高的机械强度、大的比表面积、高度的柔顺性等，可望广泛应用于电池、超级电容器、传感器、驱动器等电子器件中，具有极其广泛的应用价值与应用前景，因此一经发现便引起人们的广泛研究兴趣。然而，要实现其进一步的实际应用，在保留其性能的基础上对纳米尺度的石墨烯进行宏观尺度的组装是一个必须的步骤。在各种组装体中，石墨烯基纤维因其更优的机械强度与电导率，在柔性、便携式、可穿戴器件中展现了广泛的应用前景，引起人们的广泛关注与研究兴趣。

迄今为止，为了分别提高石墨烯基纤维材料的机械强度和电导性，研究人员已经进行了大量的研究工作，并取得了一定的研究进展(Nat.Commun.2011，2，571；Nat.Commun.2014，5，3754；Nat.Nanotech.2014，9，555；Nat.Commun.2015，6，7260；Nat.Commun.2016，7，13684)，然而由于受限于石墨烯尺寸、取向度、缺陷度难于进一步提高，通常聚合物的绝缘性导致导电性的降低，高导电性物质掺杂往往导致片层间作用力的减弱，超高温处理往往带来高能耗和高昂的成本，同时提高石墨烯基纤维的机械强度和导电性是相当困难的(甚至大部分电导性是低于10S cm^-1)，因此开发一种新型低成本的方法来同时提高石墨烯基纤维的机械强度和导电性具有重要价值与意义。

发明内容

为了获得了高强度、高导电性、高韧性的石墨烯基纤维，本申请的发明人进行了深入的研究工作，进而研究出了一种新型的高机械强度、高导电性的聚多巴胺基包覆的石墨烯纤维。为此，本发明提供如下几个方面：

＜1＞.一种新型的高机械强度、高导电性的聚多巴胺基包覆的石墨烯纤维，所述纤维包括：

石墨烯；以及

包覆所述石墨烯的聚多巴胺衍生碳包覆层。

＜2＞.根据＜1＞所述的石墨烯纤维，其中

所述聚多巴胺基包覆的石墨烯纤维具有10-1000mm的长度，并且具有10-300μm的厚度或直径。

＜3＞.根据＜1＞所述的石墨烯纤维，其中

所述石墨烯纤维呈现类洋葱结构，二维层状聚多巴胺基包覆的石墨烯纳米片沿轴向排列、紧密堆积、石墨烯片呈褶皱状，相邻聚多巴胺基包覆的石墨烯纳米片间有部分“交联”、搭接。

＜4＞.根据＜1＞所述的石墨烯纤维，其中

所述聚多巴胺衍生碳包覆石墨烯纤维具有660-780MPa(平均值724MPa)的拉伸强度、5-14MJ m^-3(平均值9.38MJ m^-3)的韧性，并且具有570-663S m^-1(平均值6.2×10⁴S m^-1)的电导性。

＜5＞.一种制备上述任一项所述的高机械强度、高导电性的聚多巴胺基包覆的石墨烯纤维的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：在缓冲剂的存在下，在弱碱性的条件下，通过直接在氧化石墨烯表面原位引入聚多巴胺衍生碳包覆层，以制备出作为组装单元的聚多巴胺包覆氧化石墨烯；

步骤S2：将所述聚多巴胺衍生碳包覆氧化石墨烯组装单元进行一维限域自组装，获得未退火聚多巴胺包覆石墨烯纤维；以及

步骤S3：将所获得的聚多巴胺包覆石墨烯纤维在两端固定的情况下，进行退火处理。

＜6＞.根据＜5＞所述的制备方法，其中所述方法包括以下操作步骤：

所述步骤S1：向浓度为0.5-2mg/ml的氧化石墨烯溶液中，加入1-3mg/ml缓冲剂，搅拌至完全溶解，用0.02-0.5mol/L的稀盐酸调节溶液PH为8-9，添加0.5-3mg/ml多巴胺盐酸盐单体，继续敞口反应3-24h，离心水洗至上层澄清，然后再离心浓缩至浓度达到5mg/ml以上，便获得了作为组装单元的聚多巴胺包覆氧化石墨烯的浓溶液；