一种石墨烯天丝复合纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及纺织材料技术领域，具体来说是一种石墨烯天丝复合纤维及其制备方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)具有优异的光学、电学及力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料；石墨烯是一种单分子层二维晶体，具有已知材料的最高的强度(Science,2008,321,385-388)，是目前最理想的二维纳米材料之一。
天丝纤维以木浆为原料经溶剂纺丝方法生产一种新纤维。天丝是一种木浆纤维，原料为天然材质，经过物理处理过程。保留了棉的透气、化纤的强度、真丝的光泽。具有柔软悬垂、触感独特、飘逸动感、透气透湿、素雅光泽，防螨抗静电、耐用性强、弹性好、不易起皱、便于打理洗涤等优点。天丝是采用溶剂纺丝技术制取的，因生产中所使用的氧化胺溶剂对人体完全无害，几乎完全能回收，可反复使用，无副产物。天丝纤维在泥土中能完全分解，对环境无污染，对生态无害，是环保纤维。
天丝纤维截面均一，但原纤间结合较弱且没有弹性，如受机械摩擦，纤维外层会发生断裂，形成长度约1-4微米的毛茸，特别在湿态情况下，更易产生，严重时还会缠结成棉粒，因此限制了天丝纤维的应用。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种石墨烯天丝复合纤维及其制备方法，本发明制备得到的石墨烯天丝复合纤维不仅克服了天丝无弹性且机械性能差的缺陷，而且制备得到的复合材料还具有石墨烯的优异的光学、力学及电学性能。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种石墨烯天丝复合纤维，所述石墨烯天丝复合纤维先由石墨烯经表面氧化后得到氧化石墨烯，再与天丝纤维经过Steglich酯化反应后，通过静电纺丝工艺纺丝制备得到的。
本发明还保护了一种石墨烯天丝复合纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)称量：按照以下重量份数的原料组成称取：石墨烯1-5份；天丝纤维15-25份，备用；
(2)氧化石墨烯的制备：将石墨烯与浓酸溶液混合，并在温度为50-70℃下超声3-4h，然后水洗至中性，60-80℃下烘干至石墨烯的重量不再发生变化，得到氧化石墨烯；
(3)石墨烯天丝复合材料的制备：将步骤(2)制备的氧化石墨烯加入至第一溶剂中，然后加入天丝纤维和催化剂4-二甲氨基吡啶，在冰水中搅拌，待温度降低至0℃，加入引发剂N,N’-二环己基碳二亚胺，再继续搅拌10-15min，然后室温下搅拌3-5h，经过滤、洗涤及减压蒸馏后，得到石墨烯天丝复合纤维；
(4)纺丝：将步骤(3)制备得到的石墨烯天丝复合纤维在第二溶剂中溶解，然后经过静电纺丝法纺丝，得到石墨烯天丝复合纤维。
优选的，步骤(2)中所述浓酸溶液选自质量分数为98％的浓硫酸溶液或质量分数为68％的浓硝酸溶液，且所述浓酸溶液的体积与所述石墨烯质量的比为5-8mL：1g。
优选的，所述步骤(2)的超声功率为250-300W，超声频率为50kHz。
优选的，所述步骤(3)中的第一溶剂选自二氯甲烷、四氯化碳、氯仿或1,2-二氯乙烷中的一种。
优选的，所述步骤(4)中的第二溶剂选自N-甲基吗啉-N氧化物或N,N'-二甲基甲酰胺中的一种。
优选的，所述步骤(1)称量的原料中还包括0.1-0.3份抗菌剂，所述抗菌剂在步骤(4)中加入至第二溶剂中，并与石墨烯天丝复合纤维混合均匀，再进行纺丝，所述抗氧剂为芳香胺类抗氧剂或受阻酚类抗氧剂。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明制备工艺简单，制备方法简便，且制备条件温和，能够在较短时间内得到性能优异的石墨烯天丝复合纤维，适宜于大规模大批量生产，并被广泛应用于市面上。
2、本发明制备得到的石墨烯天丝复合纤维不仅具有天丝的柔软悬垂、触感独特、飘逸动感、透气透湿、素雅光泽，防螨抗静电、耐用性强、弹性好、不易起皱、便于打理洗涤等优点，而且具备了石墨烯的优异的光学、力学及电学性能；且将石墨烯与天丝反应后，石墨烯的单分子层二维晶体，是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，固有的拉伸强度为130GPa，且经氧化得到功能化石墨烯具有异常的坚固和强韧，因此本发明将石墨烯氧化后不仅利于与天丝进行反应，而且提升了石墨烯的强度，使得现有技术的天丝与石墨烯天丝复合纤维相比，弹性和机械性能均得到了提升。
3、本发明还加入了抗氧化剂，天丝的热氧化过程是一系列的自由基链式反应，在热、光或氧的作用下，天丝的有机分子的化学键发生断裂，生成活泼的自由基，这些自由基可以引发一系列的自由基链式反应，天丝的结构和性质发生根本变化，抗氧剂的作用是消除刚刚产生的自由基，阻止链式反应的进行，从而增强石墨烯天丝复合纤维的使用性能。
具体实施方式
下面结合本发明实施例1-4，用以较佳的实施例配合详细的说明。
实施例1
一种石墨烯天丝复合纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)称量：按照以下重量份数的原料组成称取：石墨烯1份；天丝纤维15份，备用；
(2)氧化石墨烯的制备：将石墨烯与质量分数为98％的浓硫酸溶液混合，并在温度为50℃下超声功率为250W，超声频率为50kHz的条件下超声4h，然后水洗至中性，60℃下烘干至石墨烯的重量不再发生变化，得到氧化石墨烯；
(3)石墨烯天丝复合材料的制备：将步骤(2)制备的氧化石墨烯加入至二氯甲烷中，然后加入天丝纤维和催化剂4-二甲氨基吡啶，在冰水中搅拌，待温度降低至0℃，加入引发剂N,N’-二环己基碳二亚胺，再继续搅拌10min，然后室温下搅拌3h，经过滤、洗涤及减压蒸馏后，得到石墨烯天丝复合纤维；
(4)纺丝：将步骤(3)制备得到的石墨烯天丝复合纤维在N-甲基吗啉-N氧化物中溶解，然后经过静电纺丝法纺丝，得到石墨烯天丝复合纤维。
实施例2
一种石墨烯天丝复合纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)称量：按照以下重量份数的原料组成称取：石墨烯1-5份；天丝纤维15-25份，备用；
(2)氧化石墨烯的制备：将石墨烯与质量分数为98％的浓硫酸溶液混合，并在温度为50-70℃下超声功率为250-300W，超声频率为50kHz的条件下超声3-4h，然后水洗至中性，60-80℃下烘干至石墨烯的重量不再发生变化，得到氧化石墨烯；
(3)石墨烯天丝复合材料的制备：将步骤(2)制备的氧化石墨烯加入至二氯甲烷中，然后加入天丝纤维和催化剂4-二甲氨基吡啶，在冰水中搅拌，待温度降低至0℃，加入引发剂N,N’-二环己基碳二亚胺，再继续搅拌10-15min，然后室温下搅拌3-5h，经过滤、洗涤及减压蒸馏后，得到石墨烯天丝复合纤维；
(4)纺丝：将步骤(3)制备得到的石墨烯天丝复合纤维在N-甲基吗啉-N氧化物中溶解，然后经过静电纺丝法纺丝，得到石墨烯天丝复合纤维。
实施例3
一种石墨烯天丝复合纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)称量：按照以下重量份数的原料组成称取：石墨烯1-5份；天丝纤维15-25份，备用；
(2)氧化石墨烯的制备：将石墨烯与质量分数为98％的浓硫酸溶液混合，并在温度为50-70℃下超声功率为250-300W，超声频率为50kHz的条件下超声3-4h，然后水洗至中性，60-80℃下烘干至石墨烯的重量不再发生变化，得到氧化石墨烯；
(3)石墨烯天丝复合材料的制备：将步骤(2)制备的氧化石墨烯加入至二氯甲烷中，然后加入天丝纤维和催化剂4-二甲氨基吡啶，在冰水中搅拌，待温度降低至0℃，加入引发剂N,N’-二环己基碳二亚胺，再继续搅拌10-15min，然后室温下搅拌3-5h，经过滤、洗涤及减压蒸馏后，得到石墨烯天丝复合纤维；
(4)纺丝：将步骤(3)制备得到的石墨烯天丝复合纤维在N-甲基吗啉-N氧化物中溶解，然后经过静电纺丝法纺丝，得到石墨烯天丝复合纤维。
实施例4
与实施例2的制备步骤相同，不同之处仅在于，步骤(1)称量的原料中还包括0.1-0.3份抗菌剂，所述抗菌剂在步骤(4)中加入至第二溶剂中，并与石墨烯天丝复合纤维混合均匀，再进行纺丝，所述抗氧剂为芳香胺类抗氧剂或受阻酚类抗氧剂。
对比例1
实施例1-实施例4使用的市售的天丝纤维。
对比例2
实施例2的步骤(2)制备得到的氧化石墨烯。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
