[发明专利]一种超高分子量聚乙烯基石墨烯纳微自组装纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超高分子量聚乙烯基石墨烯纳微自组装纤维及其制备方法，所述方法包含以下步骤：步骤(1)，将氧化石墨烯纳米片与改性剂混合，以对氧化石墨烯纳米片进行表面改性，并获得石墨烯基液，改性剂由ZrOCl₂、H₃BTC、DMF和有机溶剂混合得到；步骤(2)，将超高分子量聚乙烯粉体加入到反应釜中并溶胀，获得超高分子量聚乙烯纺丝液；步骤(3)，将步骤(1)获得的石墨烯基液混合至装有超高分子量聚乙烯纺丝液的反应釜中；保持温度在200‑300℃，并施加磁场，直至所述氧化石墨烯纳米片均衡分布于超高分子量聚乙烯纺丝液。本发明制备出的纤维既可以发挥出石墨烯的固有特性，又具备超高分子量聚乙烯材料的优良特质。

技术领域

本发明涉及高性能纤维技术领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯基石墨烯纳微自组装纤维及其制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp²杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp²键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10^-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环类似)，因而具有优良的导电和光学性能。石墨烯作为未来第三次工业革命的基础材料，产业界已开发出多种工艺路线生产不同类型的石墨烯材料，量产上升较快。其下游衍生产品的应用开发与生产，将在技术性能与成本经济方面革命性地促进各领域材料使用的更新换代。但是，由于石墨烯片片之间存在较强的范德华力，容易产生团聚而不能发挥出石墨烯内在的优越物性，对石墨烯的进一步研究和应用造成了极大障碍。如解决该类问题，则会出现广阔的发展空间。

氧化石墨烯(Graphene Oxide)是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼

超高分子量聚乙烯英文名ultra-high molecular weight polyethylene(简称UHMWPE)，是分子量100万以上的聚乙烯。热变形温度(0.46MPa)85℃，熔点(125～135)℃。是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。世界上最早由美国AlliedChemical公司于1957年实现工业化，此后德国Hoechst公司、美国Hercules公司、日本三井石油化学公司等也投入工业化生产。超高分子量聚乙烯纤维是当今世界上第三代特种纤维，强度高达30.8cN/dtex，比强度是化纤中最高的，又具有较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等优良性能。它可直接制成绳索、缆绳、渔网和各种织物：防弹背心和衣服、防切割手套等，其中防弹衣的防弹效果优于芳纶。国际上已将超高分子量聚乙烯纤维织成不同纤度的绳索，取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳等。超高分子量聚乙烯纤维的复合材料在军事上已用作装甲兵器的壳体、雷达的防护外壳罩、头盔等；体育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。与其它工程塑料相比，超高分子量聚乙烯具有表面硬度和热变形温度低、弯曲强度以及蠕变性能较差等缺点。这是由于超高分子量聚乙烯的分子结构和分子聚集形态造成的，可通过填充和交联的方法加以改善，但大部分无机填充物成为应力集中点，降低纤维基体的强度等性能。