[發(fā)明專利]一種制備石墨烯/玻璃復(fù)合纖維的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610056914.9
• 申請日: 2016-01-28
• 公開（公告）號: CN107012535A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊帆;冉佳佳;陳彬彬;章文;李建林
• 申請（專利權(quán)）人: 海南大學(xué)
• 主分類號: D01F9/08
• 分類號: D01F9/08;D01F1/09;C03C12/00
• 代理公司: 暫無信息
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料玻璃纖維的制備方法，更確切地說，是指一種石墨烯/玻璃復(fù)合纖維的制備方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

炭材料一直伴隨著人類發(fā)展，從零維的富勒烯到二維的碳納米管，再到常見的三維炭材料石墨、金剛石，都有著非常重要的應(yīng)用。直到2004年A. K. Geim和K. S. Novoselov兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了石墨烯，才填補了炭家族中二維材料的空缺。石墨烯是由sp²雜化的碳原子經(jīng)過六邊形周期性排列組成的一種只有一個原子層厚度的二維納米材料，因其具有獨特的物理結(jié)構(gòu)，所以展現(xiàn)了許多神奇的性能。如比表面積理論值為2630m²/g，導(dǎo)熱系數(shù)高達5300W/（m·k），電子遷移率可達到2×10⁵cm²/V·s，特別是強度可達到130Gpa，在制備復(fù)合材料中有廣泛應(yīng)用。因此，石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來一直被高度關(guān)注。

玻璃纖維屬于無機纖維材料，相比于塊狀玻璃，首先克服了脆性，更重要的是力學(xué)性能得到明顯改善。另外還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。玻璃纖維在國內(nèi)已發(fā)展了60余年，形成了比較成熟的工藝體系，在化工，能源，航空，電子等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。但是玻璃纖維由于其固有的電絕緣性導(dǎo)致使用的局限性，目前提高玻璃纖維導(dǎo)電性的方法多數(shù)集中于將制備好的纖維與導(dǎo)電材料復(fù)合而實現(xiàn)的，如申請?zhí)?01510023436.7和申請?zhí)?01410413574.1中所述方法，都是將制備好的玻璃纖維浸漬于石墨烯溶液中制備而成。制備時間長，而且會改變纖維的形貌，某種程度上限制了玻璃纖維的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種石墨烯/玻璃復(fù)合纖維的制備方法，常溫下將氧化石墨烯與玻璃粉復(fù)合，采用成熟的玻璃纖維制造工藝，在惰性氣氛中還原氧化石墨烯，制備出具有高強度，高模量的石墨烯/玻璃復(fù)合纖維。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:

一種石墨烯/玻璃復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，玻璃粉改性，石墨烯/玻璃復(fù)合材料的制備，復(fù)合纖維的制備三個步驟，具體步驟如下：

（1）玻璃粉改性：將原料溶于一定量的無水乙醇中，超聲分散30~60min，直到得到分散均勻的懸濁液，向懸濁液中加入1~10ml去離子水和0.05~1ml改性劑，繼續(xù)超聲3~10分鐘，將配置的溶液置于磁力攪拌器上，轉(zhuǎn)速為200~600r/min，加熱溫度為45~85°C，加熱時間為6~12h，將所得溶液離心洗滌3~6次，60~110°C烘干12~24h，得到改性玻璃粉；

（2）石墨烯/玻璃復(fù)合材料的制備：將改性的玻璃粉分散于去離子水中，磁力攪拌30~120min，配制成懸濁液，另配置0.5~1.5mg/ml的氧化石墨烯分散液，將一定量的氧化石墨烯分散液緩慢滴加到玻璃粉懸濁液中，邊攪拌邊滴加，滴加完畢繼續(xù)攪拌1~4h，隨后靜置12~24h，真空抽濾，60~110°C烘干12~24h，得到石墨烯/玻璃復(fù)合粉體；

（3）復(fù)合纖維的制備：將制備好的石墨烯/玻璃復(fù)合粉體過篩，然后將過篩后的原料送入熔窯熔化，整個過程在真空環(huán)境下進行，熔化溫度控制在1400~1500°C之間，升溫速率為2~10°C/min，轉(zhuǎn)入拉絲工序，拉絲溫度控制在1200~1300°C之間，調(diào)節(jié)液面高度及拉絲機轉(zhuǎn)速，制備石墨烯/玻璃復(fù)合纖維。

所述步驟（1）中，原料為自制或商用的玻璃粉；海南省豐富的火山巖加工余料；自制SiO₂膠體。

所述步驟（1）中，自制SiO₂膠體具體方法為溶膠凝膠法制備SiO₂凝膠。將正硅酸乙酯（TEOS）與乙醇混合，摩爾比為1:1~3，配成溶液A；再將乙醇與水混合，摩爾比為1:4~3:8，攪拌狀態(tài)下加入濃HCl至pH為1~2，配成溶液B；將溶液A緩慢滴加到溶液B中，50~70°C加熱4~8小時，隨后靜置3~14天，得到SiO₂凝體。

所述步驟（3）中，采用的惰性氣氛為N₂或者Ar氣氛。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)異性能：

1. 將氧化石墨烯加入玻璃細(xì)粉中，制備出具有一定導(dǎo)電性的玻璃纖維，在改性玻璃粉的制備過程中添加石墨烯，操作簡單，經(jīng)測試，電導(dǎo)率達到10^-4S/cm，比普通的玻璃纖維提高了幾個數(shù)量級；

2. 分別選用自然界，商業(yè)化，實驗室自制的三種原料制備玻璃纖維，原料來源廣泛，擴展了玻璃纖維的原料選擇范圍；