静电纺丝制备石墨烯基复合纳米纤维研究进展_郭杰.pdf

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1、·１４·高分子通报２０１４年１１月静电纺丝制备石墨烯基复合纳米纤维研究进展郭杰１，蔡志江１，２＊（１．天津工业大学纺织学院，天津３００３８７；２．先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津工业大学，天津３００３８７）摘要：在静电纺丝纳米纤维中加入纳米填料———石墨烯（Ｇ），有助于提高纳米纤维的性能，扩展其应用领域。本文综述了近年来国内外静电纺丝制备石墨烯基复合纳米纤维的研究现状，重点介绍了石墨烯与聚酰胺（ＰＡ）、聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）、聚丙烯腈（ＰＡＮ）、二氧化钛（ＴｉＯ２）等复合纳米纤维制备的研究进展及其在光催化剂、超级电容器、染料

2、敏化太阳能电池（ＤＳＳＣｓ）、传感器、生物医学等方面的应用潜力，展望了石墨烯基复合纳米纤维的发展前景。关键词：静电纺丝；石墨烯；纳米纤维；复合引言石墨烯是一种由单层碳原子构成，具有二维蜂窝状点阵结构的碳素物质，是石墨材料的基体单元，具有优异的力学、热学、光电学等多种性能，并在众多领域具有广泛的应用前景，如超级电容器、纳米传感［１］器、锂离子电池、组织工程支架等领域。静电纺丝法可以制备直径为几十纳米到几微米的纤维，其纳米纤维具有高比表面积、高孔隙率和结［２］构可调等特点，对其性能及应用研究已引起人们的广泛关注。静电纺纳米纤维可以应用在过滤

3、材料、［３，４］组织工程支架、传感器等领域。本文重点对国内外静电纺丝法制备石墨烯基复合纳米纤维进行了简述，并对其发展前景进行了展望。１石墨烯及其可纺性与碳纳米管相比，石墨烯具有高比表面积、极好的机械性能和热稳定性、高导电性和快速的电子转移速率、高透明度并且价格便宜。因此，石墨烯作为纳米填料用于静电纺丝，可以改善纳米纤维性能，并且具有环境经济友好性能，是制备高性能纳米纤维的优异填料。石墨烯的制备方法有机械剥离法、化学气相沉积法、插层法、氧化还原法、ＳｉＣ热分解等，其中氧化还［５］原法是将石墨粉末先氧化（常用Ｈｕｍｍｅｒ法）形成氧化石墨烯（

4、ＧＯ），再通过超声波震荡、热膨胀剥离［６，７］和机械方法等还原处理制成石墨烯。氧化还原法制得的石墨烯中通常含有残留的含氧官能团，在水及有机溶剂中分散性好，易与其它聚合物相互作用，可纺性较好且能改善静电纺丝复合纳米纤维的结构形貌和性能。２静电纺丝法制备石墨烯基复合纳米纤维２．１Ｇ／ＰＡ复合纳米纤维静电纺丝聚酰胺（ＰＡ）纳米纤维具有较高的断裂强度和弹性回复性能，广泛应用于服装、生物、医学等领域，但ＰＡ纳米纤维较差的抗电化学腐蚀能力限制了其应用领域。因此，可以加入石墨烯形成Ｇ／ＰＡ收稿：２０１４－０１－１０；修回：２０１４－０４－１０；基金项

5、目：天津市自然科学基金（１１ＪＣＹＢＪＣ０２５００）；作者简介：郭杰（１９９０－），男，硕士，主要研究方向为功能非织造材料开发与应用；＊通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｍｉｎｇｊｉｅ９８７＠１６３．ｃｏｍ．第１１期高分子通报·１５·复合纳米纤维，改善ＰＡ纳米纤维的电化学性能，使其在电化学电池、光催化剂、超级电容器等方面具有更广泛的应用前景。［８］Ｃａｒｍｉｎａ等以甲酸为溶剂，通过静电纺丝法制备了ＧＯ／ＰＡ６，６复合纳米纤维膜，将其涂布在多孔二氧化硅（ＳｉＯ２）板上，制成电化学腐蚀防护复合涂层电极，研究ＧＯ的制备条件对其电化学性能的影响。

6、结果表明，在氢氧化钾和过氧化物溶液中得到最好的氧化条件，在过氧化氢存在的硫酸溶液中得到最好的还原条件，这种氧化还原法制备的ＧＯ的含氧官能团与ＰＡ６，６的酰胺基团良好反应，形成的ＧＯ／ＰＡ６，６复合纳米纤维膜涂层电极的电化学性能最好，当硫酸钠浓度为１Ｍ时，含有２％ＧＯ的复合材料的阻抗为４００Ω·ｃｍ２，比容量为７．４７×１０－７２，该复合纳米纤维膜材料在电化学电池方面具有应用Ｆ／ｃｍ潜力。［９，１０］Ｐａｎｔ等以醋酸和甲酸为溶剂，通过转鼓静电纺丝法制备了ＧＯ／ＰＡ６复合纳米纤维，并研究了不同浓度ＧＯ对复合纳米纤维形貌的影响。结果表明，复合

7、纳米纤维呈蜘蛛波浪状纳米结构，具有以ＰＡ６基体为宽锋，ＧＯ为窄峰的双峰直径分布，如图１所示。当ＧＯ含量为１２５ｍｇ时（见图１－ｃ），静电纺丝效果最好，相比纯ＰＡ６纳米纤维，双峰纤维直径分布变宽，由１４ｎｍ到２１２ｎｍ，孔径和孔隙率略微减小。这种双峰纤维直径分布的静电纺丝复合纳米纤维膜在空气或水污染中纳米颗粒过滤和纳米器件制备方面具有广泛的应用潜力。向纺丝液中加入ＴｉＯ２并经过水热处理形成可重复使用的具有光催化活性的ＧＯ／ＰＡ６／ＴｉＯ２复合纳米纤维过滤材料，其在经济友好型水过滤介质和可重复使用光催化剂方面具有广泛的应用潜力。图１不同浓度

8、ＧＯ的ＧＯ／ＰＡ６复合纳米纤维毡的场发射扫描电子显微镜照片其中ＧＯ含量分别为（ａ）０ｍｇ，（ｂ）７５ｍｇ，（ｃ）１２５ｍｇ，（ｄ）２５０ｍｇＦｉｇｕｒｅ１ＦＥ－ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＧＯ／ＰＡ６ｃｏｍｐｏｓ