直丝石墨烯纤维及其作为电抽吸器件的应用技术领域
本发明涉及一种直丝结构石墨烯纤维，特别涉及一种具有电抽吸性能的纤
维，属于纳米材料制备和纳米器件的应用技术领域。
背景技术
纳米级流体输送的现象广泛存在于能量转换，渗透，海水淡化和小分子的
分析分离等过程中。通过预先设定的通道实现可控并且有效的流体输送是开发
高性能的纳米流体材料和生物及环境应用系统的一个重要考虑因素。为此，找
到合适的吸液材料是至关重要的，许多多孔材料(如二氧化硅，聚合物，纸，
岩石等)都表现出自发性抽吸现象，然而在这些材料内的抽吸过程通常缺乏可
控性。最近，电毛细效应被用于加快液体的流动，通过加低工作电压(-1V)使
液体穿过导电媒介(如纳米多孔金)来控制液体的流动。
而纳米多孔金本身是亲水的，有自发抽吸现象，通过预加载环己烷溶剂的
方法，可阻止这种自发抽吸行为，从而实现纳米多孔金电抽吸现象的开关功能
中的完全关的状态。但这种辅助溶剂的方法也同时降低了吸水过程(开状态)
的水流速率。此外，许多应用和方法中都对具有特定孔径尺寸的柔性纳米流体
系统有强烈需求，例如备受期待的多孔橡胶借助纳米流体系统实现机械运动。
这种高性能纳米尺度流体器件和系统可以被整合到用于生物、环境等领域的不
同微纳尺度流体控制系统上，以实现在生物技术和环境能源领域的应用。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种直丝石墨烯纤维及其
作为电抽吸器件的应用。
本发明的技术方案是这样实现的：一种直丝石墨烯纤维，是按照下述方法
进行制备的：(1)将浓度为20mg/mL的氧化石墨烯分散液平摊在聚四氟乙烯基
底上，制成氧化石墨烯薄膜，自然干燥后，得到厚度为1～3μm氧化石墨烯薄膜；
(2)用滚刀将氧化石墨烯薄膜裁剪为边缘平滑的石墨烯条带，宽度为2-10mm；
(3)将氧化石墨烯条带用湿度在80％～90％水汽润湿，将马达转速调整为
1500r/min将所述石墨烯条带纺织成直的纤维；
(4)将氧化石墨烯直丝纤维浸入浓度为35％氢碘酸中，90℃保持12小时，并
经去离子水反复清洗，40℃真空干燥6小时，制备出直丝石墨烯纤维；
其中氧化石墨烯分散液制备步骤如下：步骤(1)量筒量取400mL硫酸与
100mL磷酸，在1L的烧杯中混合均匀，称取10g膨化石墨，磁力搅拌下，加入
上述混合液；
步骤(2)称量50g高锰酸钾，冰浴中把高锰酸钾慢慢添加到烧杯中；
步骤(3)温度升到40℃，机械搅拌下反应4个小时；
步骤(4)取450mL去离子水缓慢加入烧杯中，再将50mL，将双氧水缓慢
倒入大烧杯中；
步骤(5)静置10小时后，用5Vol.％的盐酸溶液，清洗三次，再用去离子
水清洗3次以上直至溶液pH值在5以上，得到氧化石墨烯分散液。
直丝石墨烯纤维一端放入水中后加压，当电压高于0.8V后出现电抽吸现象，
电压低于0.8V之后停止抽吸，直丝石墨烯纤维质量随着加压时间增加呈线性增
大，直到饱和状态，此时石墨烯纤维质量是自身质量的7倍。
直丝石墨烯纤维的润湿角为80°，具有疏水性；直丝石墨烯纤维内部石墨
烯膜层间的空隙构成的纳米级微通道贯穿整条直丝纤维。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及突出性效果：
1.本发明的直丝石墨烯纤维完全由石墨烯构成，成本低廉，制备简单。
2.本发明的直丝石墨烯纤维的疏水特性。
3.内部孔隙结构完整：直丝石墨烯纤维由整条的氧化石墨烯条带旋转纺织
而成，纤维内部石墨烯膜层间的纳米级通道贯穿整条直丝纤维。
4.直丝石墨烯纤维电抽吸现象的开关可控性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施
例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述
中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付
出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是石墨烯直丝纤维的扫描电镜照片。
图2是石墨烯直丝纤维的电抽吸示意图片。
图3是在电抽开关过程中石墨烯直丝纤维质量变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清
楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是
全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造
性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种直丝石墨烯纤维，是按照下述方法进行制备的：
(1)将浓度为20mg/mL的氧化石墨烯分散液平摊在聚四氟乙烯基底上，制成
氧化石墨烯薄膜，自然干燥后，得到厚度为1～3μm氧化石墨烯薄膜；
(2)用滚刀将氧化石墨烯薄膜裁剪为边缘平滑的石墨烯条带，宽度为2-10mm；
(3)将氧化石墨烯条带用湿度在80％～90％水汽润湿，将马达转速调整为
1500r/min将所述石墨烯条带纺织成直的纤维；先润湿再将石墨烯条带纺织成直
丝纤维，得到产品不易断裂，更便于作为电抽吸期间或者高性能纳米尺度流体
器件和系统。
(4)将氧化石墨烯直丝纤维浸入浓度为35％氢碘酸中，90℃保持12小时，并
经去离子水反复清洗，40℃真空干燥6小时，制备出直丝石墨烯纤维；
其中氧化石墨烯分散液制备步骤如下：步骤(1)量筒量取400mL硫酸与
100mL磷酸，在1L的烧杯中混合均匀，称取10g膨化石墨，磁力搅拌下，加入
上述混合液；
步骤(2)称量50g高锰酸钾，冰浴中把高锰酸钾慢慢添加到烧杯中；
步骤(3)温度升到40℃，机械搅拌下反应4个小时；
步骤(4)取450mL去离子水缓慢加入烧杯中，再将50mL，将双氧水缓慢
倒入大烧杯中；
步骤(5)静置10小时后，用5Vol.％的盐酸溶液，清洗三次，再用去离子
水清洗3次以上直至溶液pH值在5以上，得到氧化石墨烯分散液。
直丝石墨烯纤维一端放入水中后加压，当电压高于0.8V后出现电抽吸现象，
电压低于0.8V之后停止抽吸，直丝石墨烯纤维质量随着加压时间增加呈线性增
大，一直到饱和状态，此时石墨烯纤维质量是自身质量的7倍。如图2所示，
测试电抽吸性能的时候，先将直丝石墨烯纤维3下端置入容器4的水中，上端
焊接银丝2，银丝2连接在高精度天平1上，之后加上电压E。图2中箭头方向
显示水的走向，A区域是已经吸水的区域，B区域是尚未吸水的区域。
本发明的电抽吸行为表现出典型的可控“开-关”特征，当加上高于阈值电
压的电压时，开始出现电抽吸现象，样品质量也随之增加；当撤去电压时，电
抽吸现象随之中止，即使通道中液面上方无水存在。当再次加上电压时，电抽
吸行为也随之再次发生，直至吸满水。
利用润湿角测量仪测得水滴在直丝石墨烯纤维的润湿角为80°，具有疏水
性，不会自发吸水，水会自发从石墨烯纤维表面滚落。
下述实施例1为直丝结构石墨烯纤维的制备过程：
实施例1
一维直丝结构石墨烯纤维的制备：取浓度为20mg/mL的氧化石墨烯分散
液平摊在聚四氟乙烯基底上，厚度约为200μm；干燥后氧化石墨烯薄膜厚度约
为2～3μm。用滚刀将氧化石墨烯薄膜切成宽度为2mm，长度为20cm的氧化石
墨烯条带；经水汽润湿后(湿度约80％～90％)，利用转速为1500r/min的马达
将石墨烯条带纺织成直丝，采用氢碘酸还原的方法，制备出导电的直丝结构石
墨烯纤维。
本实施例制备得到的直丝结构石墨烯纤维的照片如图1所示。纤维内部石
墨烯膜层间的空隙构成的纳米级微通道贯穿整条直丝纤维，可作为电抽吸时的
液体通道。直丝结构石墨烯纤维内部结构为卷儿状旋钮的导电的石墨烯薄膜。
实施例2-5用于说明本发明的直丝石墨烯纤维的电抽吸现象及其作为纳米
尺度流体器件的应用。
实施例2
直丝石墨烯纤维的电抽吸应用：使用实施例1中制备的直丝石墨烯纤维。
将直丝石墨烯纤维一端搭接上银丝作为电极，并用银胶粘接，之后将银丝挂在
高精度天平上；另一端直接浸入水中。如图2所示加上负载电压E，负载电压为
0V时，无液体被自发抽吸到疏水的直丝石墨烯纤维中。当电压高于-0.8V时，
不出现电抽吸现象，当电压低于-0.8V时，开始出现电抽吸现象，石墨烯纤维的
质量也随之增加，电抽吸现象的阈值电压在-0.8V附近。
实施例3
使用实施例1中制备的直丝石墨烯纤维。将石墨烯纤维一端搭接上银丝作
为电极，并用银胶粘接，之后将银丝挂在高精度天平上；另一端直接浸入水中。
如图2所示加上负载电压E，负载电压为0V时，无液体被自发抽吸到疏水的直
丝石墨烯纤维中。当电压为-1.2V时，开始出现电抽吸现象，石墨烯纤维的质量
也随之增加。撤去负载电压，即电压为0V时，电抽吸现象随之中止，被抽吸到
石墨烯纤维中的水也无自发退吸现象，即此时的石墨烯纤维质量能保持不变。
再次将电压调制-1.2V时，电抽吸现象再次恢复，石墨烯纤维质量再次增加，石
墨烯纤维质量随时间变化如图3所示。
实施例4
使用实施例1中制备的直丝石墨烯纤维。将石墨烯纤维一端搭接上银丝作
为电极，并用银胶粘接，之后将银丝挂在高精度天平上；另一端直接浸入水中。
如图2所示加上-1.2V的负载电压加电压，纤维开始出现电抽吸现象，样品质量
随电抽吸发生的时间增加而呈线性增大，电抽吸持续200s～400s后，纤维吸水至
饱和状态，重量增加至纤维自身重量的7倍，即纤维电抽吸过程中吸收了相当
于自身重量6倍的水。
实施例5
基于直丝石墨烯纤维对环己烷溶液(油性溶剂)的自发抽吸过程，计算出
石墨烯纤维中孔道尺寸约为140nm，再结合直丝石墨烯纤维电抽吸过程特征，
计算得出电抽吸发生过程中水与石墨烯膜的接触角大约62°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发
明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发
明的保护范围之内。