[发明专利]一种还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维及其制备方法，方法为：将氧化石墨烯通过静电吸引作用和化学键合作用组装在含胺基的聚丙烯腈纤维表面后进行还原处理得到还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维。该方法制得的还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维的平均体积电阻率≤30Ω·cm，相对于原丝下降了12个数量级，同时其断裂强度相对于原丝的下降率≤5％，断裂伸长率相对于原丝的增大率≥58％，利用去离子水洗涤复合纤维10～20次后，纤维的平均体积电阻率≤33Ω·cm。本发明方法具有还原试剂选择多样性、还原效果好和生产成本低等优点，制得的纤维导电性能良好且具有耐持久性，同时纤维本身优异的力学性能得以保留。

技术领域

本发明属于还原氧化石墨烯基复合材料制备领域，涉及一种还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维及其制备方法。

背景技术

氧化石墨烯(GO)是石墨烯的一种衍生物，具有大的比表面积、独特的热力学性能、独特的机械性质和较强的化学修饰能力。氧化石墨烯具有与石墨烯相同的层状结构，但GO层间及层片边缘分布了大量的含氧官能团(-OH、C＝O和C-O-C等)。这些官能团使得GO更容易分散在水及有机溶剂中，并且表面的极性官能团易与一些极性有机分子和聚合物形成强的相互作用或化学键，有利于与其它材料复合，实现材料的功能化。GO经过还原之后还可赋予改性材料石墨烯的一些特性，如优异的导热性和导电性，这使得氧化石墨烯具有更广阔的应用前景。

常用GO还原方法有化学还原法、热还原法和电化学还原法等，其中化学还原法由于具有试剂选择多样性、还原效果良好和操作简单等优点而被广泛应用。目前，常用的还原试剂有水合肼、NaBH₄、氢溴酸、维生素C、柠檬酸钠、铝粉和L-半胱氨酸及还原性糖类等。

随着智能穿戴领域的发展，导电织物纤维成为研究热点。聚丙烯腈(PAN)纤维作为四大合成纤维之一，具有优异的耐光性、耐候性和耐辐射性等优点，在服装和装饰等领域中应用非常广泛，因此导电PAN纤维是智能织物的重要研究方向。但PAN分子中含有大量的强极性基团—氰基，这种官能团的强疏水性和绝缘性导致PAN纤维易产生静电积聚，纤维的体积电阻率高达6.5×10¹³Ω·cm，这严重影响了PAN纤维的纺丝加工性能及其在各个领域中的应用，而氧化石墨烯独特的结构和优异的性能给PAN纤维的导电改性提供了新的研究方向。

理论上，能够利用GO改善PAN纤维的导电性能的方法有共混法和共聚法等，然而通过上述共混法或共聚法改善PAN纤维的导电性能通常存在以下问题：(1)高粘度的纺丝溶液无法使GO均匀分散，并且GO分散在PAN溶液中使聚合过程复杂化，无法大规模、工业化生产；(2)通过共混法或共聚法制备的GO/PAN纤维由于大部分GO会被基体聚合物覆盖，不能有效地构建GO网络，更无法形成还原氧化石墨烯导电网络，因此，无法有效改善PAN纤维的导电性能。

因此，研究一种能够有效改善PAN纤维的导电性能的氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维的制备方法具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术无法有效改善PAN纤维的导电性能的问题，提供了一种能够有效改善PAN纤维的导电性能的还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维及其制备方法。本发明方法具有还原试剂选择多样性、还原效果好、操作简单和生产成本低等优点，容易实现工业化，最终制得的还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维导电性能良好且具有耐持久性，平均体积电阻率小，达到了导电纤维的级别；本发明的表面自组装法制备过程简单，可将GO涂覆在PAN纤维表面上，在纤维表面有效构建GO网络，然后通过还原处理后可形成石墨烯导电网络，从而改善了PAN纤维的导电性能，同时纤维本身优异的力学性能得以保留。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维的制备方法，将氧化石墨烯通过静电吸引作用和化学键合作用组装在含胺基的聚丙烯腈纤维表面后进行还原处理得到还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维。