一种高弹性石墨烯/Ala复合纤维及其制备方法和应用

本发明涉及复合纳米材料，具体涉及一种高弹性石墨烯/ala复合纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、自2011年石墨烯纤维问世以来，由于其优异的电学和热学性能，在可穿戴电子产品、智能织物、软体机器人和智能传感等领域具有很大的应用前景。石墨烯纤维作为具有片层结构的一维宏观石墨烯材料，是由氧化石墨烯或功能化石墨烯纳米片通过液晶自组装等过程制备出的新型碳基纤维。虽然石墨烯纤维在制备方面已取得了一定程度的进展，如石墨化和热退火策略大大提高了石墨烯的抗拉强度或导电性，但柔性和弹性仍然较差。

2、石墨烯是一种单原子片层石墨，具有理想的二维结构，石墨烯单元的可调凝聚态使得石墨烯纤维能够按照多功能的需求进行设计，而具有多功能特性的石墨烯纤维在柔性功能织物、电热转换、能量采集和存储、智能传感、电磁屏蔽等领域拥有无限的发展空间。但是，石墨烯纤维在拉伸过程中，产生的塑性变形会令纤维发生形变损伤，从而在后续的重复性循环形变中产生拉伸损伤，这种损伤是不可逆的，大大影响了石墨烯纤维的应用。

3、天然存在的丙氨酸（ala），在亲核取代和缩合反应的作用下易与氧化石墨烯在水中结合，并在水中表现出稳定的分散性，且保持稳定的液晶状态。ala在枝接到氧化石墨烯的表面，由于独特的分子结构、官能团和链长，因此对氧化石墨烯得结构、形貌和层间作用力产生大的影响。

4、对于高弹性石墨烯纤维而言，增加层间距的选择决定了是否能得到高弹性的石墨烯纤维。现有技术公开了石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法，该法制备的复合纤维提高了纤维的力学性能，然而，此类复合纤维的制备方法操作复杂，实验环境要求高压条件。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的不足，本发明主要解决石墨烯纤维在拉伸过程中，产生的塑性变形会令纤维发生形变损伤，从而在后续的重复性循环形变中产生拉伸损伤，这种损伤是不可逆的，大大影响了石墨烯纤维的应用。本发明提供一种高弹性石墨烯/ala复合纤维及其制备方法和应用。该方法通过对纤维微观结构的调控和设计，将ala通过亲核取代和缩合反应直接枝接在氧化石墨烯表面，使ala在氧化石墨烯片层表面均匀分布，从而有效的增加了氧化石墨烯的层间距，防止了石墨烯片层的团聚，增加了复合纤维在拉伸过程中的高弹性形变范围。

2、本发明第一个目的是提供一种高弹性石墨烯/ala复合纤维的制备方法，包括以下步骤：

3、制备氧化石墨烯分散液；

4、将丙氨酸（ala）和氧化石墨烯分散液加入水溶剂中，获得复合纺丝液；

5、将复合纺丝液进行湿法纺丝，获得氧化石墨烯/ala复合纤维；

6、将氧化石墨烯/ala复合纤维经还原处理，并经洗涤处理，即得高弹性石墨烯/ala复合纤维；

7、其中，所述氧化石墨烯分散液的浓度为20~35mg/ml。

8、优选的，所述ala和氧化石墨烯分散液用量比为12~52mg：2~5ml；

9、所述复合纺丝液的浓度为8~16mg/ml。

10、优选的，获得复合纺丝液时，还添加有碱金属氢氧化物；

11、其中，所述碱金属氢氧化物与所述ala的质量比为1:0.012~0.025。

12、优选的，所述湿法纺丝，包括：选用氯化钙的乙醇水溶液为凝固浴，采用微量注射泵对复合纺丝液进行湿法纺丝。

13、优选的，将氧化石墨烯/ala复合纤维经还原处理，包括：

14、将氧化石墨烯/ala复合纤维在红外灯下干燥10~30min，然后在30~50℃条件下，置于摩尔比为（0.2~0.3）:（20~30）:（60~90）的抗坏血酸：h2o：冰醋酸的混合溶液中，还原时间为12~24h，制备出还原时间为还原氧化石墨烯/ala复合纤维。

15、优选的，将还原氧化石墨烯/ala复合纤维用去离子水洗涤三次，再用乙醇浸泡三次，每次30~40min，随后在室温下干燥10~60min，即得高弹性石墨烯/ala复合纤维。

16、优选的，所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯直径为10~50μm，层数为1~5层。

17、优选的，所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯是采用改性hummers法制备而得。

18、本发明第二个目的是提供一种高弹性石墨烯/ala复合纤维。

19、本发明第三个目的是提供一种高弹性石墨烯/ala复合纤维在可穿戴电子产品、智能织物、软体机器人或智能传感中的应用。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、本发明提供了一种高弹性石墨烯/ala复合纤维及其制备方法和应用，与现有的将纳米颗粒直接静电吸附在氧化石墨烯上的纤维不同，本发明通过对纤维微观结构的调控和设计，将ala通过亲核取代和缩合反应直接枝接在氧化石墨烯表面，使ala在氧化石墨烯片层表面均匀分布，从而有效的增加了氧化石墨烯的层间距，防止了石墨烯片层的团聚，增加了复合纤维在拉伸过程中的高弹性形变范围。

22、本发明由于采用石墨烯复合纤维材料，反应可以在室温下温和进行，操作步骤简单，并且由于采用抗坏血酸替换氢碘酸还原氧化石墨烯纤维，成本低廉，生物相容性好，环境友好性强。

23、本发明中的石墨烯/ala纤维材料从微观结构进行了片层间的调控，而非从宏观层面将纤维调控成螺旋结构，大大降低了纤维的体积，可以广泛应用于可穿戴电子产品、智能织物、软体机器人等领域。在加入ala后，go复合纳米片的层间距得到调控，而且纳米片的沿轴度取向得到改善，大大减少了在拉伸过程中的应力堆积，层间载荷传递效率平均，故而复合纤维的弹性性能提升。如上所述，本发明解决了现有技术中石墨烯纤维柔性差，拉伸过程中塑性变形损伤不可逆，制备成本高，环境友好性差及制备工艺复杂等问题。

技术特征：

1.一种高弹性石墨烯/ala复合纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高弹性石墨烯/ala复合纤维的制备方法，其特征在于，所述ala和氧化石墨烯分散液用量比为12~52mg：2~5ml；

3.根据权利要求2所述的高弹性石墨烯/ala复合纤维的制备方法，其特征在于，获得复合纺丝液时，还添加有碱金属氢氧化物；

4.根据权利要求1所述的高弹性石墨烯/ala复合纤维的制备方法，其特征在于，所述湿法纺丝，包括：选用氯化钙的乙醇水溶液为凝固浴，采用微量注射泵对复合纺丝液进行湿法纺丝。

5.根据权利要求1所述的高弹性石墨烯/ala复合纤维的制备方法，其特征在于，将氧化石墨烯/ala复合纤维经还原处理，包括：

6.根据权利要求5所述的高弹性石墨烯/ala复合纤维的制备方法，其特征在于，将还原氧化石墨烯/ala复合纤维用去离子水洗涤三次，再用乙醇浸泡三次，每次30~40min，随后在室温下干燥10~60min，即得高弹性石墨烯/ala复合纤维。

7.根据权利要求1所述的高弹性石墨烯/ala复合纤维的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯直径为10~50μm，层数为1~5层。

8.根据权利要求1所述的高弹性石墨烯/ala复合纤维的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯是采用改性hummers法制备而得。

9.一种权利要求1~8任一项所述的方法制得的高弹性石墨烯/ala复合纤维。

10.一种权利要求9所述的高弹性石墨烯/ala复合纤维在可穿戴电子产品、智能织物、软体机器人或智能传感中的应用。

技术总结本发明公开了一种高弹性石墨烯/Ala复合纤维及其制备方法和应用，涉及复合纳米材料技术领域。所述方法包括制备氧化石墨烯分散液；将丙氨酸（Ala）和氧化石墨烯分散液加入水溶剂中，获得复合纺丝液；将复合纺丝液进行湿法纺丝，获得氧化石墨烯/Ala复合纤维；将氧化石墨烯/Ala复合纤维经还原处理，并经洗涤处理，即得高弹性石墨烯/Ala复合纤维。本发明将Ala通过亲核取代和缩合反应直接枝接在氧化石墨烯表面，使Ala在氧化石墨烯片层表面均匀分布，从而有效的增加了氧化石墨烯的层间距，增加了复合纤维在拉伸过程中的高弹性形变范围。技术研发人员：党阿磊,韩彦莹,刘宇晖,李铁虎,刘鑫,孙弋婷受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11