[发明专利]高性能石墨烯膜与纤维及其凝胶转化制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种高性能石墨烯膜与纤维及其凝胶转化制备方法。

背景技术

单质碳具有各种同素异形体：金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。石墨烯具有单原子厚度的二维平面石墨晶格结构，它可以裹成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管，或堆积成三维的石墨。独特的二维单层结构赋予了石墨烯许多优异的性能，包括高的导电性、载流子迁移速率、优异的导热性、透光性、力学性能以及巨大的比表面积，因此在电子器件、光电转换、电化学储能、传感、聚合物复合材料以及热电材料等诸多方面展现出巨大的应用前景。

将微米尺度的石墨烯片组装成宏观多维结构是实现其实际应用的重要途径。通过可控自组装技术将石墨烯片转化为宏观一维纤维、二维膜材料可以提高其性能,并拓展其功能。目前石墨烯可通过化学气相沉积、机械剥离、外延生长以及化学氧化还原等方法制备。其中化学氧化还原法可从廉价的石墨方便且廉价制备出石墨烯材料。此方法制备的氧化石墨烯片在水及强极性有机溶剂中稳定分散、可湿法加工；同时氧化石墨烯表面的活性官能团使其可进行功能修饰。因此，氧化石墨烯片是一种独特的二维组装基元，可被构筑成具有可控结构的功能材料。与此同时，作为石墨烯的制备前体，氧化石墨烯可以通过高温退火还原、化学还原或将二者结合来提高其电导率，制备出具有优异导电性能的石墨烯膜或纤维材料,在电子器件、能量存储与转化等领域具有广阔的应用前景。

Ruoff课题组(Nature,2006,442,282-286)通过真空抽滤诱导自组装的方法制备出柔性的氧化石墨烯自支撑膜。自此以后，人们发展了多种石墨烯膜制备技术以提高其电学、力学和热学性能等。通过添加高分子、无机纳米材料或使用化学交联分子可以增强石墨烯膜的机械力学性能。但是这些外源物质的引入往往会阻碍石墨烯片层间的电子传输，增加了接触电阻，降低了膜的电导性和传热性。制备具有优异力学、电学和热学性能等多功能集成的纯石墨烯膜材料对于基础研究和现实应用都具有重要的意义。

石墨烯作为一种二维构筑基元，如何将其组装成一维宏观材料一直是一个难点问题。湿法纺丝技术被引入到石墨烯纤维制备体系(Nat.Commun.,2011,2,571.)，然而这种方法一般选用凝固浴，且需要交联剂。因此，一种简易、环境友好的高强度、高电导率石墨烯纤维的制备手段仍亟待开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能石墨烯膜与纤维及其凝胶转化制备方法。

本发明提供的制备氧化石墨烯水凝胶的方法，为方法一或方法二，

其中，所述方法一包括如下步骤：

将氧化石墨烯分散液于密封容器中进行退火，得到所述氧化石墨烯水凝胶；

所述方法二包括如下步骤：

将氧化石墨烯分散液与酸溶液混合，控制体系的pH值为1-4后，进行溶胶凝胶相转变反应，反应完毕得到所述氧化石墨烯水凝胶。

所述方法一和方法二中，氧化石墨烯分散液的浓度均为4-10mg/mL，具体为6mg/mL或8mg/mL；

所述方法一的退火步骤中，温度为60-80℃，具体为70℃，时间为10h-100h，具体为36h；该热退火步骤可诱导氧化石墨烯分散液进行凝胶化，该凝胶化的条件要温和，时间不能过长，要避免凝胶中产生聚集或者沉淀。不利于后续成膜过程的均匀性以及纤维的匀速挤出。

所述方法二中，酸溶液为盐酸或硝酸；所述酸溶液中，酸的质量百分浓度为1.8-7.4％，具体为3.7％；

所述氧化石墨烯分散液与酸溶液的体积比为6-12：1，具体为9：1；

所述溶胶凝胶相转变反应步骤中，温度为室温；

所述氧化石墨烯分散液均为氧化石墨烯在水中的分散液；

所述氧化石墨烯分散液具体为本发明提供的氧化石墨烯分散液。

本发明还要求保护按照前述方法制备得到的氧化石墨烯水凝胶。

本发明还提供了一种制备氧化石墨烯分散液的方法，该方法包括如下步骤：

1)将石墨粉和浓硫酸于0-40℃混合后，加入高锰酸钾，并控制反应体系的温度低于40℃，恒温反应0.5h-20h后，加入稀硫酸恒温进行反应8h-12h；

2)将步骤1)所得体系置于冰水混合浴中终止反应，再滴加过氧化氢至不再产生气泡后，真空抽滤，收集滤饼后，依次用稀盐酸和水洗涤，将所得滤饼再次分散在水中，透析，搅拌24h-48h，离心，得到所述氧化石墨烯分散液。