本發(fā)明涉及一種石墨烯中空纖維及其連續(xù)化制備方法，屬于纖維技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

本發(fā)明纖維已經(jīng)深入應(yīng)用到國(guó)防軍工和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的廣泛領(lǐng)域，比如航空航天、導(dǎo)彈裝甲、醫(yī)療環(huán)保、家居裝飾和穿戴服用。傳統(tǒng)的天然纖維和化學(xué)纖維，如棉纖維、麻纖維、滌綸纖維、錦綸纖維、維綸纖維和丙綸纖維的優(yōu)勢(shì)主要在于力學(xué)性能和服用性能。但是隨著科技的快速發(fā)展，特別是電子信息技術(shù)的急速更新，需要纖維具有更高的性能和更多的功能，例如更高的強(qiáng)度、優(yōu)異的電磁性能、靈敏的響應(yīng)性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等。因此需要開(kāi)發(fā)新型纖維。

石墨烯是一類二維納米材料，具有碳原子單層結(jié)構(gòu)，其厚度為0.34nm，具有優(yōu)異的力學(xué)、電、磁、熱、化學(xué)等性能，于2004年被發(fā)現(xiàn)并得到快速發(fā)展。以石墨烯為單元來(lái)構(gòu)建的纖維具有優(yōu)良的綜合性能，能夠滿足更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用要求。到目前為止，石墨烯纖維的研究報(bào)道很多，但是石墨烯中空纖維的報(bào)道較少。中空纖維是一種差別化纖維，具有低密度、高孔隙率、透通性等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于過(guò)濾分離、能源、傳感、制動(dòng)等領(lǐng)域，是一類重要的纖維品種?，F(xiàn)有報(bào)道如下：文獻(xiàn)(Chuangang Hu，Yang Zhao，Huhu Cheng，Yanhong Wang，Zelin Dong，Changcheng Jiang，Xiangquan Zhai，Lan Jiang and Liangti Qu，Nano Lett.2012，12，5879)把一段銅絲(＜10米)伸入含有氧化石墨烯溶液的玻璃管中，然后兩端封閉，在230度下保溫2.5小時(shí)，就獲得覆蓋石墨烯的銅絲，最后把銅絲溶解就獲得石墨烯中空纖維。該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)化制備，并且需要高溫以及耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。另外文獻(xiàn)(Yang Zhao，Changcheng Jiang，Chuangang Hu，Zelin Dong，Jiangli Xue，Yuning Meng，Ning Zheng，Pengwan Chen and Liangti Qu，ACS Nano，2013，7，2406)利用濕法紡絲工藝和皮芯結(jié)構(gòu)噴絲板首先制備氧化石墨烯中空纖維，然后還原得到石墨烯中空纖維。該方法實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化制備，但是需要還原工序把氧化石墨烯還原成石墨烯。

因此，縱觀現(xiàn)有的專利及文獻(xiàn)報(bào)道，石墨烯中空纖維的制備方法非常有限，并且現(xiàn)有方法中沒(méi)有一種能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)需還原的常溫連續(xù)化制備。另外，現(xiàn)有方法制備的石墨烯中空纖維的中空直徑及壁厚的調(diào)整范圍較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)無(wú)需還原的常溫連續(xù)化制備石墨烯中空纖維。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種石墨烯中空纖維的連續(xù)化制備方法，其特征在于，包括：將銅絲連續(xù)地牽引出來(lái)并浸入氧化石墨烯電解液中，然后通過(guò)三電極系統(tǒng)在銅絲表面電化學(xué)鍍石墨烯，接著連續(xù)地收集表面涂敷石墨烯的銅絲并成卷，隨后浸入氯化鐵水溶液中溶解銅絲，最后經(jīng)過(guò)清洗和干燥得到石墨烯中空纖維。

優(yōu)選地，所述的銅絲的直徑為2～3000μm。

優(yōu)選地，所述含有氧化石墨烯的電解液中的電解質(zhì)為高氯酸鋰、鹽酸和硫酸中的一種。

優(yōu)選地，所述含有氧化石墨烯的電解液中電解質(zhì)的質(zhì)量百分比為0.01％-5％。

優(yōu)選地，所述氧化石墨烯的電解液中氧化石墨烯的質(zhì)量百分比為0.01％～2％。

優(yōu)選地，所述三電極系統(tǒng)的工作電極是銅絲，對(duì)電極是鉑絲，參比電極是銀/氯化銀電極；并且鉑絲與銅絲平行排列；三電極與電化學(xué)工作站相連。

優(yōu)選地，所述電化學(xué)鍍石墨烯的時(shí)間為1～30分鐘。

優(yōu)選地，所述的電化學(xué)鍍的電壓為-0.5～-1.2v。

本發(fā)明還提供了一種石墨烯中空纖維，其特征在于，采用上述的石墨烯中空纖維的連續(xù)化制備方法制成，所述的石墨烯中空纖維為由石墨烯單元構(gòu)建而形成的一種管狀結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述的石墨烯中空纖維的中空直徑為2～3000μm。

優(yōu)選地，所述的石墨烯中空纖維的管壁厚度為0.5～1000μm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用電化學(xué)鍍連續(xù)化制備方法獲得石墨烯中空纖維，實(shí)現(xiàn)了石墨烯中空纖維的無(wú)需還原、常溫及連續(xù)化制備；實(shí)現(xiàn)了石墨烯中空纖維的中空直徑和管壁厚度在較大范圍內(nèi)的調(diào)整，為石墨烯中空纖維在過(guò)濾分離、能源、傳感、制動(dòng)等方面的應(yīng)用建立扎實(shí)基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1中制備的石墨烯中空纖維的電鏡照片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。

實(shí)施例1

一種石墨烯中空纖維的連續(xù)化制備方法，具體步驟為：

選取直徑為20μm的銅絲一卷，長(zhǎng)度為1000米。將銅絲連續(xù)地牽引出來(lái)并浸入氧化石墨烯的高氯酸鋰溶液中，其中高氯酸鋰的質(zhì)量百分比為0.5％，氧化石墨烯的質(zhì)量百分比為0.1％。然后通過(guò)三電極系統(tǒng)在銅絲表面電化學(xué)鍍石墨烯，所述三電極系統(tǒng)的工作電極是銅絲，對(duì)電極是長(zhǎng)度為1米的鉑絲，參比電極是銀/氯化銀電極，鉑絲與銅絲平行排列，兩者間隔距離為2mm。銀/氯化銀電極放置于氧化石墨烯的高氯酸鋰溶液中，其放置位置位于鉑絲長(zhǎng)度中間點(diǎn)，緊靠銅絲和鉑絲但是不接觸。用電化學(xué)工作站連接，電化學(xué)工作站的工作電極端連接銅絲，電化學(xué)工作站的對(duì)電極端連接鉑絲，電化學(xué)工作站的參比電極端連接銀/氯化銀電極，選擇恒電壓模式在銅絲上電化學(xué)鍍石墨烯，電壓為-1v。銅絲的走速為1米/分鐘，因此電化學(xué)鍍的時(shí)間為1分鐘。接著連續(xù)地收集表面涂敷石墨烯的銅絲并成卷，然后浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35％的氯化鐵水溶液中溶解銅絲10小時(shí)，最終用去離子水清洗并干燥獲得石墨烯中空纖維(如圖1所示)，其為由石墨烯單元構(gòu)建而形成的一種管狀結(jié)構(gòu)，該石墨烯中空纖維的中空直徑為50μm，管壁厚度為4μm。

實(shí)施例2

一種石墨烯中空纖維的連續(xù)化制備方法，具體步驟為：

選取直徑為20μm的銅絲一卷，長(zhǎng)度為1000米。將銅絲連續(xù)地牽引出來(lái)并浸入氧化石墨烯的高氯酸鋰溶液中，其中高氯酸鋰的質(zhì)量百分比為0.7％，氧化石墨烯的質(zhì)量百分比為1％。然后通過(guò)三電極系統(tǒng)在銅絲表面電化學(xué)鍍石墨烯，所述三電極系統(tǒng)的工作電極是銅絲，對(duì)電極是長(zhǎng)度為1米的鉑絲，參比電極是銀/氯化銀電極，鉑絲與銅絲平行排列，兩者間隔距離為2mm。銀/氯化銀電極放置于氧化石墨烯的高氯酸鋰溶液中，其放置位置位于鉑絲長(zhǎng)度中間點(diǎn)，緊靠銅絲和鉑絲但是不接觸。用電化學(xué)工作站連接，電化學(xué)工作站的工作電極端連接銅絲，電化學(xué)工作站的對(duì)電極端連接鉑絲，電化學(xué)工作站的參比電極端連接銀/氯化銀電極，選擇恒電壓模式在銅絲上電化學(xué)鍍石墨烯，電壓為-0.8v。銅絲的走速為0.1米/分鐘，因此電化學(xué)鍍的時(shí)間為10分鐘。接著連續(xù)地收集表面涂敷石墨烯的銅絲并成卷，然后浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35％的氯化鐵水溶液中溶解銅絲10小時(shí)，最終用去離子水清洗并干燥獲得石墨烯中空纖維，其為由石墨烯單元構(gòu)建而形成的一種管狀結(jié)構(gòu)，該石墨烯中空纖維的中空直徑為20μm，管壁厚度為100μm。

實(shí)施例3

一種石墨烯中空纖維的連續(xù)化制備方法，具體步驟為：

選取直徑為100μm的銅絲一卷，長(zhǎng)度為1000米。將銅絲連續(xù)地牽引出來(lái)并浸入氧化石墨烯的硫酸溶液中，其中硫酸的質(zhì)量百分比為0.5％，氧化石墨烯的質(zhì)量百分比為1％。然后通過(guò)三電極系統(tǒng)在銅絲表面電化學(xué)鍍石墨烯，所述三電極系統(tǒng)的工作電極是銅絲，對(duì)電極是長(zhǎng)度為1米的鉑絲，參比電極是銀/氯化銀電極，鉑絲與銅絲平行排列，兩者間隔距離為2mm。銀/氯化銀電極放置于氧化石墨烯的硫酸溶液中，其放置位置位于鉑絲長(zhǎng)度中間點(diǎn)，緊靠銅絲和鉑絲但是不接觸。用電化學(xué)工作站連接，電化學(xué)工作站的工作電極端連接銅絲，電化學(xué)工作站的對(duì)電極端連接鉑絲，電化學(xué)工作站的參比電極端連接銀/氯化銀電極，選擇恒電壓模式在銅絲上電化學(xué)鍍石墨烯，電壓為-1.1v。銅絲的走速為0.1米/分鐘，因此電化學(xué)鍍的時(shí)間為10分鐘。接著連續(xù)地收集表面涂敷石墨烯的銅絲并成卷，然后浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35％的氯化鐵水溶液中溶解銅絲12小時(shí)，最終用去離子水清洗并干燥獲得石墨烯中空纖維，其為由石墨烯單元構(gòu)建而形成的一種管狀結(jié)構(gòu)，該石墨烯中空纖維的中空直徑為100μm，管壁厚度為200μm。

實(shí)施例4

一種石墨烯中空纖維的連續(xù)化制備方法，具體步驟為：

選取直徑為1000μm的銅絲一卷，長(zhǎng)度為1000米。將銅絲連續(xù)地牽引出來(lái)并浸入氧化石墨烯的鹽酸溶液中，其中鹽酸的質(zhì)量百分比為0.6％，氧化石墨烯的質(zhì)量百分比為2％。然后通過(guò)三電極系統(tǒng)在銅絲表面電化學(xué)鍍石墨烯，所述三電極系統(tǒng)的工作電極是銅絲，對(duì)電極是長(zhǎng)度為1米的鉑絲，參比電極是銀/氯化銀電極，鉑絲與銅絲平行排列，兩者間隔距離為2mm。銀/氯化銀電極放置于氧化石墨烯的鹽酸溶液中，其放置位置位于鉑絲長(zhǎng)度中間點(diǎn)，緊靠銅絲和鉑絲但是不接觸。用電化學(xué)工作站連接，電化學(xué)工作站的工作電極端連接銅絲，電化學(xué)工作站的對(duì)電極端連接鉑絲，電化學(xué)工作站的參比電極端連接銀/氯化銀電極，選擇恒電壓模式在銅絲上電化學(xué)鍍石墨烯，電壓為-1v。銅絲的走速為0.05米/分鐘，因此電化學(xué)鍍的時(shí)間為20分鐘。接著連續(xù)地收集表面涂敷石墨烯的銅絲并成卷，然后浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35％的氯化鐵水溶液中溶解銅絲20小時(shí)，最終用去離子水清洗并干燥獲得石墨烯中空纖維，其為由石墨烯單元構(gòu)建而形成的一種管狀結(jié)構(gòu)，該石墨烯中空纖維的中空直徑為1000μm，管壁厚度為800μm。