一种通过正压挤出法来制备聚乙烯醇和石墨烯的杂化复合纤维

(青岛大学 山东 青岛 266071)

一、引言

石墨烯一般是指排列在六方晶格中的准二维孤立碳原子结构，石墨烯中，三个2P轨道中只有两个参与杂化，形成三个sp2轨道对称地分布在x-y平面内，并互成120°的夹角1。由此sp2碳原子在平面内形成共价键，组成平面六边形“蜂巢”结构的石墨烯。其电学性质强烈地依赖于石墨烯的层数，相邻的石墨烯层是平行的，但是它们之间存在旋转堆垛层错，彼此之间相互转动，无择优取向。石墨烯分为单层、双层和少层，超过10层的石墨烯层结构可以认为是石墨烯薄膜2。

碳纤维的广泛利用为碳材料领域其他同素异形体带来了丰富的研究契机，尤其是石墨烯的发现及其丰富、优良的机械和电学性能使得制备多种广泛途径的石墨烯碳材料成为研究的热点，而石墨烯纤维就是石墨烯材料实际应用领域最直接和最丰富的研究成果3。

如今，石墨烯纤维已经进入了一个飞速发展的时代，多种石墨烯复合纤维已经被制备和产业化。本实验通过将掺入抗坏血酸(LAA)而形成的还原氧化石墨烯(rGO/LAA)凝胶液正压挤入聚乙烯醇粘稠液中，在聚乙烯醇粘稠液的固化定形作用下，会形成外报裹聚乙烯醇(PVA)的PVA-rGO/LAA复合纤维。该纤维强度高，性能优良为进一步拓展石墨烯纤维的应用提供了可能。

二、实验部分

(一)试剂与仪器

氧化石墨烯(GO)(昂星石墨烯公司)、抗坏血酸(国药)、去离子水(希之梦水厂)、聚乙烯醇(阿拉丁)。

(二)石墨烯纤维的制备

首先称量30mL的去离子水加入到锥形瓶中，然后在50℃的低俗磁力搅拌上搅拌，然后称取3.0g的PVA均匀的加入到去离子水中，继续搅拌30分钟后，将温度提升到100℃，然后等到PVA全部溶解以后，取下锥形瓶静置6h后，排除粘稠液中的小气泡，然后倒入至玻璃培养皿中。

称取300mg的GO加入到20mL的去离子水中均匀搅拌，等到GO在去离子水中全部均匀溶解成GO分散液后，再称取150mg的抗坏血酸加入GO分散液中，继续搅拌30min后，取下该分散液在室温下静置12h以后，自然地形成rGO/LAA凝胶液。最后，将rGO/LAA凝胶液均匀地依1cm/s的挤出速度均匀地挤入PVA粘稠液中，然后静置1h后就会形成外包裹PVA的PVA-rGO/LAA复合纤维。

(三)纤维性能测试

采用单纤强力仪测试石墨烯纤维的拉伸强度和伸长率，采用SEM照片表征纤维微结构。

三、结果与讨论

(一)纤维表面形态

图1是PVA-rGO/LAA复合纤维的表面结构和断面结构的SEM扫描图，从图中可以看出，该纤维表面光滑，纤维断面完整、内部结构充实。

图1 (a)PVA-rGO/LAA复合纤维的表面机构和(b、c)断面结构的SEM扫描图

(二)纤维力学性能测试

图2展示了PVA-rGO/LAA复合纤维的力学性能，从图中可以看出，石墨烯纤维的拉伸强度可以达到68MPa,而伸长率却可以达到4.65%6。

图2 石墨烯纤维的拉伸强度和伸长率

四、结论

总之，本文利用正压纺丝方法提供了一种新型的PVA-rGO/LAA复合纤维制备方法，其中通过正压挤出方法将掺入还原剂的rGO/LAA分散液均匀注入到聚乙烯醇来制备PVA-rGO/LAA复合纤维，该纤维因为外包裹PVA，使得纤维结构稳定，强度高，而且通过改变挤出速度可以制备出不同直径的PVA-rGO/LAA复合纤维。为优化石墨烯纤维制备方法和扩展石墨烯应用范围提供了新的途径。