[發(fā)明專(zhuān)利]一種快速制備石墨烯纖維氣凝膠的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011386739.2
• 申請(qǐng)日: 2020-12-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112456476B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高超;張春曉;許震;劉森坪
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/184
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/184;D01D5/00
• 代理公司: 杭州君銳知產(chǎn)專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 33443
• 代理人: 黃歡娣

本發(fā)明公開(kāi)了一種將少量超高分子量聚合物作為添加劑加入到氧化石墨溶液中實(shí)現(xiàn)吹紡并將其用來(lái)快速制備石墨烯纖維氣凝膠的方法。相比于傳統(tǒng)的凍干法制備石墨烯纖維氣凝膠，本方法直接利用吹紡直接將氧化石墨烯凝膠纖維噴入到減壓高溫密閉容器中，由于在該條件下凝膠纖維中的水分表面蒸氣壓急劇降低，能夠快速揮發(fā)，從而得到纖維氣凝膠。該方法過(guò)程簡(jiǎn)單，環(huán)保，高效，是一種制備石墨烯纖維氣凝膠新方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米材料領(lǐng)域，具體地涉及吹紡制備石墨烯纖維氣凝膠的方法。

技術(shù)背景

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)A.K.Geim教授課題組運(yùn)用機(jī)械剝離法成功制備石墨烯，并將其懸掛于微型金架上，推翻了完美二維晶體結(jié)構(gòu)無(wú)法在非絕對(duì)零度下穩(wěn)定存在的這一論斷。換言之，自由態(tài)的石墨烯在室溫下可以穩(wěn)定存在；而在相同條件下，其他任何己知材料都會(huì)被氧化或分解，甚至在相當(dāng)于其單層厚度10倍時(shí)就變得不穩(wěn)定。從結(jié)構(gòu)上說(shuō)，石墨烯(Graphene)是緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的sp²雜化單層碳原子晶體，層內(nèi)碳原子以共價(jià)鍵形式連接，具有超高的強(qiáng)度(120GPa)，因此以石墨烯作為源頭材料構(gòu)建特定結(jié)構(gòu)的碳基材料，從而實(shí)現(xiàn)碳質(zhì)功能材料納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和可控以及宏量地制備已經(jīng)逐漸引起全球科學(xué)家的關(guān)注。

吹紡是一種高效制備纖維的方法，其利用高速氣流對(duì)纖維進(jìn)行快速拉伸從而實(shí)現(xiàn)高效制備纖維，在制備無(wú)紡布，纖維氣凝膠等方面被廣泛使用。石墨烯是一種典型的二維高分子，分散體系中石墨烯保持平面構(gòu)象，沒(méi)有類(lèi)似于聚合物的鏈纏結(jié)，加工性能差，產(chǎn)業(yè)化程度低。加入聚合物是增強(qiáng)氧化石墨烯溶液加工性能的常見(jiàn)方法，但是由于氧化石墨烯是一個(gè)無(wú)紡穿透的單分子層，少量的氧化石墨烯會(huì)嚴(yán)重抑制聚合物的鏈纏結(jié)，從而使復(fù)合體系表現(xiàn)出差的拉伸性能，也無(wú)法使用吹紡工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

加入超高分子量聚合物能夠有效克服氧化石墨烯這種抑制作用，30wt％超高分子量聚丙烯酸鈉能夠有效形成整體鏈纏結(jié)，使得氧化石墨烯溶液的拉伸伸長(zhǎng)率從84％增加到850％以上,從而能夠被用來(lái)進(jìn)行吹紡。但是由于氧化石墨烯和聚丙烯酸鈉都具有極強(qiáng)的吸水性，無(wú)法直接在空氣中紡絲并不借助凝固浴得到固體纖維。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種快速制備石墨烯纖維氣凝膠的方法，該方法一方面通過(guò)加入超高分子量聚合物能夠有效克服氧化石墨烯這種抑制作用，一定濃度的聚丙烯酸鈉能夠有效形成整體鏈纏結(jié)，從而使得氧化石墨烯溶液的拉伸伸長(zhǎng)率從84％增加到850％以上,從而能夠被用來(lái)進(jìn)行吹紡，另一方面本申請(qǐng)克服技術(shù)偏見(jiàn)，使得本領(lǐng)域公知的“有強(qiáng)吸水性的氧化石墨烯和聚丙烯酸鈉無(wú)法直接紡絲得到纖維”成為了可能，通過(guò)改變紡絲環(huán)境，將具有強(qiáng)吸水性的氧化石墨烯和聚丙烯酸鈉的復(fù)合紡絲液噴在高溫低壓的環(huán)境中，使水的表面蒸氣壓大幅度降低，從而水分子快速離開(kāi)凝膠纖維快速逃逸到周?chē)h(huán)境之中，從而得到干燥定型的氧化石墨烯纖維氣凝膠。并且由于聚丙烯酸鈉經(jīng)過(guò)熱處理之后殘留的碳酸鈉在石墨化過(guò)程中能夠分解成氧氣、一氧化碳以及鈉蒸汽，從而起到發(fā)泡作用使得纖維呈現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步提高石墨烯纖維氣凝膠的孔隙率和吸附能力。

具體的，本申請(qǐng)采用如下技術(shù)方案：一種氧化石墨烯纖維氣凝膠的制備方法，該方法為：對(duì)氧化石墨烯-聚丙烯酸鈉混合溶液進(jìn)行吹紡，將吹紡的凝膠纖維噴入到真空度0.1Pa以下，溫度200℃以上的環(huán)境中，得到干燥定型的氧化石墨烯纖維氣凝膠；

所述氧化石墨烯-聚丙烯酸鈉混合溶液中，氧化石墨烯的質(zhì)量為所述聚丙烯酸鈉的質(zhì)量之比為1:1-3:1，例如該混合溶液中，氧化石墨烯濃度為7mg/mL，所含聚丙烯酸鈉濃度為3mg/mL，分子量為3000萬(wàn)以上，能同時(shí)保證性能和紡絲效率。

進(jìn)一步地，吹紡氣流速度為500-600m/min，在該吹紡速度下，能夠有效保證纖維的連續(xù)高效性以及纖維直徑均勻性。