[發明專利]一種石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜的制備方法

無效

• 申請號: 201310094818.X
• 申請日: 2013-03-22
• 公開（公告）號: CN103146007A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 范金辰;史子興;印杰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C08J5/18
• 分類號: C08J5/18;C08L77/10;C08K3/04
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 胡紅芳

技術領域

本發明涉及的是一種納米復合材料的制備方法，具體地，是一種石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜的制備方法。

背景技術

芳綸1414，是由對苯二胺與對苯二甲酰氯縮合(PPTA)聚合而成的全對位聚芳酰胺。由于其結構中分子鏈的剛性,?有溶致液晶性，在溶液中在剪切力作用下極易形成各向異性態織構，因此芳綸1414用于紡絲可得到性能特別優異的高強度、高模量纖維，商品名為Kevlar纖維，中國稱為芳綸1414纖維。其熱分解溫度高達560℃，具有高耐熱性，同時具有高抗拉強度和起始彈性模量纖維強度。因此，芳綸1414纖維可以在復合材料中展現更多有潛力，然而由于成品的芳綸1414纖維和紗線很難被溶解和分散，同時宏觀尺度的形態限制了它在復合材料上的應用和加工。經過對現有技術的檢索發現，Nicholas?A.?Kotov課題組在Dispersion?s?of?Aramid?Nanofibers:?A?New?Nanoscale?Building?Block文獻中首次在二甲基亞砜和氫氧化鉀的溶液體系中利用質子化的過程弱化分子間的強烈氫鍵，將宏觀的芳綸1414纖維撕扯成芳綸1414的納米纖維，為芳綸1414纖維在復合材料上的應用提供了重要的方法。

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。?近年來，石墨烯由于其獨特的結構特征和優異的物化性能受到了廣泛的關注。將石墨烯與功能性聚合物復合制備納米復合材料，能夠顯著地改善和提高材料的綜合性能，同時賦予復合材料新的性能和特性。當宏觀的芳綸1414纖維轉變為納米纖維后，使石墨烯和芳綸纖維材料的復合成為現實，通過芳綸纖維材料和石墨烯的復合，一方面可以使復合材料具有很高的機械強度和熱穩定性，另一面可以使復合材料具備良好的導電性。這種新穎的石墨烯/芳綸1414的納米纖維復合膜材有望在材料工業和電化學方向上顯示更大的應用價值。

發明內容

本發明基于芳綸1414纖維和石墨烯的特性，提供了一種制備石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜的方法，得到的石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜具有高強度、耐熱性好和導電性佳的綜合特性。制備方法的工藝步驟簡單，具有規模化生產的條件。

本發明的設計思路如下：通過將氧化石墨烯的二甲基亞砜溶液緩慢加入到芳綸1414納米纖維的二甲基亞砜溶液中，利用相互間π-π共軛作用，將得到的氧化石墨烯/芳綸1414納米纖維絮凝物洗滌，分散抽濾成膜，繼而用氫碘酸原位還原得到高強度導電的石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜。具體方案如下：

一種石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜的制備方法，包括以下步驟：

（1）將芳綸1414的紗線加入到氫氧化鉀和二甲基亞砜的溶液體系中，在20～40?℃下攪拌反應7～10天，得到芳綸1414納米纖維的二甲基亞砜溶液；

（2）將氧化石墨加入到水中超聲分散，得到分散均勻的氧化石墨烯水分散液，然后加入二甲基亞砜溶液，超聲混合1～2小時，在70～80℃下減壓旋蒸除去水分，得到1～5mg/ml的氧化石墨烯的二甲基亞砜分散溶液；

（3）將步驟（2）的氧化石墨烯的二甲基亞砜分散溶液緩慢加入到步驟（1）的芳綸1414納米纖維的二甲基亞砜溶液中，得到氧化石墨烯/芳綸1414納米纖維復合物的絮狀沉淀；其中，芳綸1414納米纖維的二甲基亞砜溶液中芳綸1414納米纖維與氧化石墨烯二甲基亞砜溶液中氧化石墨烯的質量比為1：1～5：1；

（4）利用高速離心，將步驟（3）得到的氧化石墨烯/芳綸1414納米纖維復合物的絮狀沉淀從混合溶液中分離；

（5）取出氧化石墨烯/芳綸1414納米纖維復合物的絮狀沉淀，攪拌，超聲分散在水中，減壓抽濾，將濾餅取出干燥，揭膜得到氧化石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜；

（6）用氫碘酸將氧化石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜中氧化石墨烯組分充分還原，洗滌和干燥得到所述石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜。

步驟（1）中氫氧化鉀和二甲基亞砜的溶液體系為：二甲基亞砜?100～1000?mL，氫氧化鉀0.5～3.0?g。

所述充分還原的過程是：將氧化石墨烯/芳綸1414納米纖維復合膜加入到氫碘酸中在80～90℃下反應1～2小時，反應結束后取出并浸泡在碳酸鈉質量分數為10%的碳酸鈉水溶液中1～2小時，最后用大量去離子水浸泡并沖洗數次后，80～100℃下真空干燥12～48小時。