[發(fā)明專利]一種新型聚多巴胺基包覆的石墨烯纖維及其制備方法

在審

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• 申請日: 2017-08-07
• 公開（公告）號: CN107401046A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 俞書宏;馬濤;從懷萍;蘇廷玉;高懷嶺
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司11021
• 代理人: 李新紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯纖維制備技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種新型高機(jī)械強(qiáng)度高導(dǎo)電性聚多巴胺基包覆的石墨烯纖維及其制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的二維單層蜂窩狀的碳原子的新材料，具有目前世界上最薄的厚度、最堅硬的硬度，并且本身具有的優(yōu)異電學(xué)性能、熱學(xué)性能、超高的機(jī)械強(qiáng)度、大的比表面積、高度的柔順性等，可望廣泛應(yīng)用于電池、超級電容器、傳感器、驅(qū)動器等電子器件中，具有極其廣泛的應(yīng)用價值與應(yīng)用前景，因此一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便引起人們的廣泛研究興趣。然而，要實現(xiàn)其進(jìn)一步的實際應(yīng)用，在保留其性能的基礎(chǔ)上對納米尺度的石墨烯進(jìn)行宏觀尺度的組裝是一個必須的步驟。在各種組裝體中，石墨烯基纖維因其更優(yōu)的機(jī)械強(qiáng)度與電導(dǎo)率，在柔性、便攜式、可穿戴器件中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景，引起人們的廣泛關(guān)注與研究興趣。

迄今為止，為了分別提高石墨烯基纖維材料的機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)性，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了一定的研究進(jìn)展(Nat.Commun.2011，2，571；Nat.Commun.2014，5，3754；Nat.Nanotech.2014，9，555；Nat.Commun.2015，6，7260；Nat.Commun.2016，7，13684)，然而由于受限于石墨烯尺寸、取向度、缺陷度難于進(jìn)一步提高，通常聚合物的絕緣性導(dǎo)致導(dǎo)電性的降低，高導(dǎo)電性物質(zhì)摻雜往往導(dǎo)致片層間作用力的減弱，超高溫處理往往帶來高能耗和高昂的成本，同時提高石墨烯基纖維的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性是相當(dāng)困難的(甚至大部分電導(dǎo)性是低于10S cm^-1)，因此開發(fā)一種新型低成本的方法來同時提高石墨烯基纖維的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性具有重要價值與意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了獲得了高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高韌性的石墨烯基纖維，本申請的發(fā)明人進(jìn)行了深入的研究工作，進(jìn)而研究出了一種新型的高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的聚多巴胺基包覆的石墨烯纖維。為此，本發(fā)明提供如下幾個方面：

＜1＞.一種新型的高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的聚多巴胺基包覆的石墨烯纖維，所述纖維包括：

石墨烯；以及

包覆所述石墨烯的聚多巴胺衍生碳包覆層。

＜2＞.根據(jù)＜1＞所述的石墨烯纖維，其中

所述聚多巴胺基包覆的石墨烯纖維具有10-1000mm的長度，并且具有10-300μm的厚度或直徑。

＜3＞.根據(jù)＜1＞所述的石墨烯纖維，其中

所述石墨烯纖維呈現(xiàn)類洋蔥結(jié)構(gòu)，二維層狀聚多巴胺基包覆的石墨烯納米片沿軸向排列、緊密堆積、石墨烯片呈褶皺狀，相鄰聚多巴胺基包覆的石墨烯納米片間有部分“交聯(lián)”、搭接。

＜4＞.根據(jù)＜1＞所述的石墨烯纖維，其中

所述聚多巴胺衍生碳包覆石墨烯纖維具有660-780MPa(平均值724MPa)的拉伸強(qiáng)度、5-14MJ m^-3(平均值9.38MJ m^-3)的韌性，并且具有570-663S m^-1(平均值6.2×10⁴S m^-1)的電導(dǎo)性。

＜5＞.一種制備上述任一項所述的高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的聚多巴胺基包覆的石墨烯纖維的方法，所述方法包括如下步驟：

步驟S1：在緩沖劑的存在下，在弱堿性的條件下，通過直接在氧化石墨烯表面原位引入聚多巴胺衍生碳包覆層，以制備出作為組裝單元的聚多巴胺包覆氧化石墨烯；

步驟S2：將所述聚多巴胺衍生碳包覆氧化石墨烯組裝單元進(jìn)行一維限域自組裝，獲得未退火聚多巴胺包覆石墨烯纖維；以及

步驟S3：將所獲得的聚多巴胺包覆石墨烯纖維在兩端固定的情況下，進(jìn)行退火處理。

＜6＞.根據(jù)＜5＞所述的制備方法，其中所述方法包括以下操作步驟：

所述步驟S1：向濃度為0.5-2mg/ml的氧化石墨烯溶液中，加入1-3mg/ml緩沖劑，攪拌至完全溶解，用0.02-0.5mol/L的稀鹽酸調(diào)節(jié)溶液PH為8-9，添加0.5-3mg/ml多巴胺鹽酸鹽單體，繼續(xù)敞口反應(yīng)3-24h，離心水洗至上層澄清，然后再離心濃縮至濃度達(dá)到5mg/ml以上，便獲得了作為組裝單元的聚多巴胺包覆氧化石墨烯的濃溶液；