CN110067035A - 一种疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米材料领域,尤其涉及一种疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝制备方法。以石墨烯,疏水高分子为原料,通过静电纺丝的方法进行静电纺丝进而获得疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝。本发明克服了高分子材料与石墨烯混合溶解后的团聚问题,以及在用静电纺丝的方法制备复合纤维时存在的纺丝不连续、不成丝等问题,本发明的静电纺丝制备方法快捷简单,反应时间短,石墨烯含量高,纤维材料环境友好,应用领域广阔,工业化程度高,实用价值显著。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料领域,尤其涉及一种疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝制备方法。
背景技术
石墨烯纳米材料包括单层石墨烯和多层石墨烯,即由碳原子按蜂窝状紧密排列而成的只有一个或多个碳原子厚度的二维片状晶体材料。与其他碳材料相比,石墨烯具有完美的大π共轭体系和最薄的单层原子厚度的结构,这使得石墨烯拥有非常优异和独特的光、电、热、机械等物理性能和化学性质。
石墨烯与纤维材料的复合,构建的功能纤维材料具有优异的吸附,催化,光热及电学等性能。目前关于石墨烯纤维制备方法很多,其中静电纺丝是制备纳米纤维的常用方法。对于石墨烯含量较高的复合纳米纤维的制备,由于石墨烯在横向的尺寸较大,易导致纤维断裂或不成丝,制备难道较大,所以未有相关报道与研究。
发明内容
本发明目的在于提供一种疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝及其制备方法。
为实现上述目的,本发明采用技术方案为:
一种疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝制备方法,以石墨烯,疏水高分子为原料,通过静电纺丝的方法进行静电纺丝进而获得疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝。
具体为:
(1)石墨烯、高分子材料溶解于有机溶剂中,于70℃搅拌反应10h,获得纺丝液;
(2)将上述获得纺丝液于室温下水浴超声4h,而后通过静电纺丝的方法进行静电纺丝;
所述静电纺丝喷头于接受接收器距离为10-20cm,纺丝液流速为2.0-4.0mL/h;并于12-23kv电压的条件下进行。
所述纺丝液中按质量百分比计,高分子材料5%-30%,石墨烯0.1%-3%,余量为有机溶剂。
所述高分子材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯腈;优选为聚甲基丙烯酸甲酯;
有机溶剂为二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺;优选为二甲基甲酰胺。
所述石墨烯为石墨烯亚微颗粒,横向粒径不大于2μm;一般为在0.5μm-2μm;石墨烯颗粒越小,静电纺丝纤维连续性越好。
一种所述方法制备所得疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝,按所述方法制备获得疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝。
原理:本发明利用疏水高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯与石墨烯之间的吸附作用力,通过静电纺丝制备纤维丝,并将石墨烯包裹于聚甲基丙烯酸甲酯纤维中,从而形成疏水的石墨烯复合高分子纤维材料。
本发明具有如下优点:
本发明方法获得的疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝快捷简单,反应时间短,石墨烯含量高,纤维材料环境友好;具体为:
1.本发明的静电纺丝制备方法通过水浴超声方法克服了高分子材料与石墨烯混合溶解后的团聚问题,
2.以及通过调节高分子材料占纺丝液中的质量浓度,以及纺丝电压,克服了静电纺丝的方法制备石墨烯复合纤维时存在的纺丝不连续、不成丝等问题,
3.本发明方法获得静电纺丝的石墨烯含量高,纤维材料环境友好,应用领域广阔,工业化程度高,实用价值显著。
附图说明
图1为本发明实施例提供的静电纺丝装置示意图;
图2为本发明实施例提供的不同聚甲基丙烯酸甲酯用量制备的纤维状态示意图,其中图A为实施例1制备的高分子纤维SEM图像图B为实施例4制备的高分子纤维SEM图像;
图3为本发明实施例提供的石墨烯用量制备的纤维状态示意图,其中图A为实施例1制备的高分子纤维SEM图像图B为实施例2制备的高分子纤维SEM图像,图C为实施例3制备的高分子纤维SEM图像;
图4为本发明实施例提供的不同电压下静电纺丝制备的纤维状态示意图,其中图A为实施例3制备的高分子纤维SEM图像图B为实施例5制备的高分子纤维SEM图像,图C为实施例6制备的高分子纤维SEM图像;
图5为本发明实施例提供的不同高分子材料与溶剂制备的纤维状态示意图,其中,左图中高分子为高分子:聚甲基丙烯酸甲酯,溶剂:二甲基甲酰胺;右图中高分子:聚丙烯腈,溶剂:二甲基乙酰胺。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明,应当指出的是,此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明,并不局限于本发明。
本发明以石墨烯,疏水高分子为原料,通过静电纺丝的方法进行纳米纤维膜的制备,克服了高分子材料与石墨烯混合溶解后的团聚问题,以及在用静电纺丝的方法制备复合纤维时存在的纺丝不连续、不成丝等问题,本发明的静电纺丝制备方法快捷简单,反应时间短,石墨烯含量高,纤维材料环境友好,应用领域广阔,工业化程度高,实用价值显著。
下述实施例所采用的石墨烯为石墨烯亚微颗粒,所用颗粒横向粒径小于2μm。
实施例1
一种疏水石墨烯改性高分子纤维的静电纺丝制备方法,包括如下步骤:
(1)石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯及溶剂二甲基甲酰胺混合并加热至70℃加热搅拌10h,按质量分数计,石墨烯0.1%,聚甲基丙烯酸甲酯20%,余量为溶剂二甲基甲酰胺;
(2)而后将该纺丝液于室温环境下水浴超声4h;经超声后的纺丝液装入注射器中,参见图1,设置好接收器,搭好静电纺丝装置,喷头于接受接收器距离为10-20cm;
(3)在12kv电压,纺丝液流速2.0-4.0mL/h的条件下进行静电纺丝,进而获得疏水石墨烯改性高分子纤维的静电纺丝(参见图2、3)。
实施例2
一种疏水石墨烯改性高分子纤维的静电纺丝制备方法,包括如下步骤:
(1)石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯及溶剂二甲基甲酰胺混合并加热至70℃加热搅拌10h,按质量分数计,石墨烯1.5%,聚甲基丙烯酸甲酯20%,余量为溶剂二甲基甲酰胺;
(2)而后将该纺丝液于水浴超声4h;经超声后的纺丝液装入注射器中,设置好接收器,搭好静电纺丝装置,喷头于接受接收器距离为10-20cm;
(3)在12kv电压,纺丝液流速2.0-4.0mL/h的条件下进行静电纺丝(参见图3)。
实施例3
一种疏水石墨烯改性高分子纤维的静电纺丝制备方法,包括如下步骤:
(1)石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯及溶剂二甲基甲酰胺混合并加热至70℃加热搅拌10h,按质量分数计,石墨烯3%,聚甲基丙烯酸甲酯20%,余量为溶剂二甲基甲酰胺;
(2)而后将该纺丝液于室温环境下水浴超声4h;经超声后的纺丝液装入注射器中,设置好接收器,搭好静电纺丝装置,喷头于接受接收器距离为10-20cm;
(3)在12kv电压,纺丝液流速2.0-4.0mL/h的条件下进行静电纺丝(参见图3、4)。
实施例4
一种疏水石墨烯改性高分子纤维的静电纺丝制备方法,包括如下步骤:
(1)石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯及溶剂二甲基甲酰胺混合并加热至70℃加热搅拌10h,按质量分数计,石墨烯0.1%,聚甲基丙烯酸甲酯10%,余量为溶剂二甲基甲酰胺;
(2)而后将该纺丝液于水浴超声4h;经超声后的纺丝液装入注射器中,设置好接收器,搭好静电纺丝装置,喷头于接受接收器距离为10-20cm;
(3)在12kv电压,纺丝液流速2.0-4.0mL/h的条件下进行静电纺丝(参见图2)。
实施例5
一种疏水石墨烯改性高分子纤维的静电纺丝制备方法,包括如下步骤:
(1)石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯及溶剂二甲基甲酰胺混合并加热至70℃加热搅拌10h,按质量分数计,石墨烯3%,聚甲基丙烯酸甲酯20%,余量为溶剂二甲基甲酰胺;
(2)而后将该纺丝液于水浴超声4h;经超声后的纺丝液装入注射器中,设置好接收器,搭好静电纺丝装置,喷头于接受接收器距离为10-20cm;
(3)在16kv电压,纺丝液流速2.0-4.0mL/h的条件下进行静电纺丝(参见图4)。
实施例6
一种疏水石墨烯改性高分子纤维的静电纺丝制备方法,包括如下步骤:
(1)石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯及溶剂二甲基甲酰胺混合并加热至70℃加热搅拌10h,按质量分数计,石墨烯3%,聚甲基丙烯酸甲酯20%,余量为溶剂二甲基甲酰胺;
(2)而后将该纺丝液于水浴超声4h;经超声后的纺丝液装入注射器中,设置好接收器,搭好静电纺丝装置,喷头于接受接收器距离为10-20cm;
(3)在23kv电压,纺丝液流速2.0-4.0mL/h的条件下进行静电纺丝(参见图4)。
实施例7
一种疏水石墨烯改性高分子纤维的静电纺丝制备方法,包括如下步骤:
(1)石墨烯、聚丙烯腈及溶剂二甲基乙酰胺混合并加热至70℃加热搅拌10h,按质量分数计,石墨烯0.1%,聚丙烯腈10%,余量为溶剂二甲基乙酰胺;
(2)而后将该纺丝液于水浴超声4h;经超声后的纺丝液装入注射器中,设置好接收器,搭好静电纺丝装置,喷头于接受接收器距离为10-20cm;
(3)在12kv电压,纺丝液流速2.0-4.0mL/h的条件下进行静电纺丝(参见图5)。
由上述图2-5可见
A)聚甲基丙烯酸甲酯用量的影响:
将实施例1、4制备的高分子纤维膜进行电镜观察,聚甲基丙烯酸甲酯加入量分别按10%、20%的添加量进行制备,其他条件相同,制备出的纤维密度见图2,可以看出,随着聚甲基丙烯酸甲酯含量的增加,纤维更加致密。
B)石墨烯用量的影响:
将实施例1-3制备的高分子纤维膜进行电镜观察,石墨烯加入量分别按0.1%、1.5%、3%的添加量进行制备,其他条件相同,制备出的纤维形态见图3,可以看出,随着石墨烯含量的增加,纤维的连续性虽然变差,但依然具有纤维形态。
C)电压的影响:
将实施例3、5、6制备的高分子纤维膜进行电镜观察,分别以12kv、16kv、23kv的电压下进行静电纺丝,其余条件相同,制备出的纤维形态见图4,可以看出,随着电压的升高,纤维直径减小,表面形态***糙。
D)高分子材料和溶剂的影响:
将实施例4、7制备的高分子纤维膜进行电镜观察,选择高分子材料分别为聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈且溶剂分别为二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺进行制备。制备出的纤维形态见图5,可以看出,不同的高分子材料和溶剂可使纤维致密度和直径发生改变,而均具有良好的纤维形态。
同时按照上述实施例的记载将高分子材料可由聚甲基丙烯酸甲酯替换为聚丙烯腈,该类高分子材料物质具有疏水性、链状特性,均能通过混合石墨烯颗粒及静电纺丝制成疏水的石墨烯复合膜,进而相互替换均能实现本发明;另外,将溶剂可由二甲基甲酰胺替换为二甲基乙酰胺,该类物质为极性非质子有机溶剂,均能溶解上述高分子材料制备含有石墨烯和高分子材料的纺丝液用于静电纺丝制成疏水的石墨烯复合膜。
应当指出,以上具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝制备方法,其特征在于:以石墨烯,疏水高分子为原料,通过静电纺丝的方法进行静电纺丝进而获得疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝。
2.按权利要求1所述的疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝制备方法,其特征在于:
(1)石墨烯、高分子材料溶解于有机溶剂中,于70℃搅拌反应10h,获得纺丝液;
(2)将上述获得纺丝液于室温下水浴超声4h,而后通过静电纺丝的方法进行静电纺丝。
3.按权利要求1或2所述的疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝制备方法,其特征在于:所述静电纺丝喷头于接受接收器距离为10-20cm,纺丝液流速为2.0-4.0mL/h;并于12-23kv电压的条件下进行。
4.按权利要求1或2所述的疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝制备方法,其特征在于:所述纺丝液中按质量百分比计,高分子材料5%-30%,石墨烯0.1%-3%,余量为有机溶剂。
5.按权利要求4所述的疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝制备方法,其特征在于:所述高分子材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯腈;有机溶剂为二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。
6.按权利要求4所述的疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝制备方法,其特征在于:所述石墨烯为石墨烯亚微颗粒,横向粒径不大于2μm。
7.一种权利要求1所述方法制备所得疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝,其特征在于:按所述权利要求1方法制备获得疏水石墨烯复合高分子纤维的静电纺丝。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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