[发明专利]一种自融合的氧化石墨烯纤维纸及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自融合的氧化石墨烯纤维纸及其制备方法，不同于传统氧化石墨烯膜的制备方法，该氧化石墨烯纤维纸以氧化石墨烯短纤维为基元，经过湿法融合组装而成。由于构成膜材料的结构单元为直径数十微米的一维氧化石墨烯纤维而非纳米级厚度的二维氧化石墨烯片层，可大大缩短纤维纸的成型时间，并且获得与传统工艺制备的氧化石墨烯膜接近的性能。同时，通过对结构单元氧化石墨烯纤维的成分和预处理工艺的选择以及融合程度的控制，可实现对纤维纸的结构和功能的灵活设计，从而拓展这种氧化石墨烯纤维纸的应用领域。

技术领域

本发明涉及石墨烯纤维及膜材料，尤其涉及一种由氧化石墨烯纤维湿法融合而成的氧化石墨烯纸及其制备方法。

背景技术

氧化石墨烯是一种纳米级厚度的二维材料，可稳定分散在水溶液等极性溶液中，因此具有较好的成膜性和可加工性。氧化石墨烯膜的制备最早由Ruoff等人报道(Dikin etal.Nature 2007,448:457–460)，呈现出较好的柔性和一定的力学强度。随着近几年来石墨烯研究领域的深入发展，氧化石墨烯/石墨烯膜材料作为一种重要的二维宏观组装体，相关的制备方法、结构优化以及功能应用是这一领域的热点研究方向之一。研究者们已经开发出了抽滤成膜、沉积成膜、喷涂、浸涂等常用的氧化石墨烯膜制备手段(Li et al.ChemicalReviews 2015,115:7046–7117)，然而，常规的溶液加工法使用相对较低浓度的石墨烯分散液以获得性质均匀的膜材料，因此随着膜厚的增加，膜制备的周期往往长达数天，大大制约了氧化石墨烯膜的生产效率。

氧化石墨烯纤维是以氧化石墨烯片层为组装基元的一维纤维状宏观结构，由于氧化石墨烯纤维的溶胀特性，可以进一步实现对纤维的湿法融合组装，得到诸如石墨烯纤维无纺布等独特的纤维组装结构(Nature Communications,2016,13684)。基于这种方法，通过对纤维溶胀和融合程度的控制，可以获得致密的氧化石墨烯膜材料，并极大地缩短氧化石墨烯膜的制备过程。通过纤维湿法融合得到薄膜的工作之前并未见于报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种由氧化石墨烯纤维湿法融合而成的氧化石墨烯膜材料及其制备方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种自融合的氧化石墨烯纤维纸，其特征在于，具有由氧化石墨烯短纤维自融合而形成的纤维状织构，所述融合方法为湿法融合。

一种自融合的氧化石墨烯纤维纸的制备方法，包括以下步骤：

(1)以氧化石墨烯分散液为纺丝液进行连续湿法纺丝。

(2)将得到的氧化石墨烯纤维在室温放置12h以上，然后置于40-60℃加热3h。

(3)将步骤2处理后的氧化石墨烯纤维浸泡在溶液中使其溶胀，并使用高速剪切搅拌机将纤维搅碎成长度为1-7mm的短纤维，形成氧化石墨烯短纤维的分散液。

(4)使用真空抽滤法使分散液中的氧化石墨烯纤维沉积在滤膜上，随着纤维的干燥即可使其相互融合得到氧化石墨烯纤维纸。

进一步地，纺丝液为氧化石墨烯的水溶液或N，N-二甲基甲酰胺溶液。相对应的，纺丝过程采用的凝固浴为氯化钙/水/乙醇混合液或乙酸乙酯。

进一步地，步骤3中氧化石墨烯短纤维的分散液包括水、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺等可使氧化石墨烯纤维产生溶胀的极性溶剂。

进一步地，高速剪切搅拌的转速为3000-8000rpm。

进一步地，该方法还包括将干燥后的氧化石墨烯纤维纸进行还原以得到石墨烯纤维纸。还原方法为使用氢碘酸、水合肼、维他命C、硼氢化钠等化学还原剂进行还原或100-3000℃热还原。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：