[发明专利]一种高强石墨烯材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种通过离子交联，得到高强石墨烯材料的方法。本发明基于金属离子与氧化石墨烯的配位交联作用，增强氧化石墨烯层间交联，提供较强层间作用力，使其能承受较大拉伸载荷以使得氧化石墨烯片层平直排列，从而赋予石墨烯材料高强度和高模量的优异性能，具有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，尤其是一种高强石墨烯材料的制备方法。

背景技术

2004年，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。石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成的二维单原子层蜂窝状周期点阵结构晶体，厚度仅有0.35nm。石墨烯独特的结构赋予了其优异的性质，具有极好的力学性能、极大的比表面积、极大的载流子迁移率、极高的热导率等优势。由石墨烯纳米片层组装得到石墨烯纤维，可以实现石墨烯在纳米尺度优异的特性传递到宏观尺度。随着材料体系的逐步优化和制备工艺的日渐完善，石墨烯纤维有望发展成为结构-功能一体化的纤维材料，被应用于更广阔的领域。

氧化石墨烯作为石墨烯的重要衍生物，因其易于宏量制备以及独特的溶液加工性，引起了工业界的关注。2011年，浙江大学高超教授团队基于氧化石墨烯的溶致液晶现象，利用湿法纺丝的方式制备出了氧化石墨烯纤维。目前，湿法纺丝法因其操作简单、效率高、可规模化等特点，成为应用最普遍的石墨烯纤维制备方法。但是通过液晶湿法纺丝得到的初生纤维在凝固阶段不免会引入不规则褶皱等结构缺陷，纤维中的大尺寸褶皱在拉伸过程中易发生应力集中，而小尺寸褶皱数量多，大小不一，往往难以调控，在以往弱塑化体系下氧化石墨烯层间距扩展有限，应力作用下形变能力弱，难以实现微米级褶皱的彻底消除。这些结构上的缺陷将始终存在于纤维内部，经过化学还原及热处理等过程后最终继承到石墨烯纤维上，这极大地影响了石墨烯纤维材料的综合性能。此外，对于氧化石墨烯膜而言，现有的方法大多是基于刮涂法和抽滤法进行制备，而此两种方法会给膜表面和内部带来大量的褶皱和孔隙，对其力学等性能带来损害，是阻碍二维石墨烯片优异性能向宏观材料传递的一大难题。

发明内容

为了克服上述现有的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种高强石墨烯材料的制备方法。本发明基于金属离子溶液对氧化石墨烯进行溶胀并且提供配位交联作用从而大大增强层间的作用力以及取向度，得到了少褶皱的高取向氧化石墨烯材料；进一步的，通过化学还原后处理得到均匀褶皱的高性能石墨烯功能材料。

本发明采用以下技术方案：一种氧化石墨烯材料的制备方法，包括以下过程：将氧化石墨烯宏观材料置于金属盐溶液中进行1～5秒浸泡处理随后再拉伸处理，得到氧化石墨烯水凝胶；其中，金属盐的浓度为0.2～2mol/L，金属盐的溶剂可以为水、乙酸、乙醇、甲醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、三乙二醇、四乙二醇、五乙二醇或其他混合溶剂；拉伸率为40-60％，持续拉伸3-5s，以保持氧化石墨烯片层平直排列；该步骤中保持均匀外力，使石墨烯片层保持平直排列，层间距减小，同时塑化浴中的金属离子会对氧化石墨烯片层上边缘的羧基官能团发生配位交联作用，将粘性滑移流动结构转变为弹性结构，大幅减少了层间滑移从而可以提供更强的层间作用力，赋予了氧化石墨烯片层承受更大载荷的能力；在大载荷拉伸下，石墨烯片层的微褶皱舒展，石墨烯片层平直排列，干燥后得到去褶皱的氧化石墨烯材料。

进一步地，所述步骤(1)中，所述金属盐为氯化钙、氯化镁、硫酸铜、氯化铁、氯化铝等。金属盐对于氧化石墨烯片层间提供配位交联作用。

本发明所述氧化石墨烯宏观材料为氧化石墨烯纤维(不仅限于氧化石墨烯纤维单丝，还可用于氧化石墨烯纤维丝束)、氧化石墨烯膜。

进一步地，拉伸浴为极性至少大于乙酸乙酯的极性，包括但不限于乙酸、乙醇、甲醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、三乙二醇、四乙二醇、五乙二醇或其他混合溶剂。

进一步地，还包括将所述去褶皱的氧化石墨烯材料进行还原处理。所述还原为化学还原，化学还原所采用的试剂为氢碘酸、水合肼、抗坏血酸钠、氯化亚锡等。