一種高強(qiáng)度連續(xù)石墨烯纖維及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種石墨稀纖維，尤其涉及一種高強(qiáng)度連續(xù)石墨稀纖維及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002 ]石墨稀(graphen e)是由單碳原子層構(gòu)成的一種新型二維晶體材料，具有已知材料最好的力學(xué)性能(斷裂強(qiáng)度125GPa、楊氏模量IlOOGPa)，以及優(yōu)異的電學(xué)性能(室溫下電子迀移率可達(dá)2X105cm2/Vs)和突出的導(dǎo)熱性能(5000W/mK)，被稱為神奇的材料。Andre Geim和Konstantin Novoselov因為對石墨稀研究的貢獻(xiàn)獲得了2010年諾貝爾物理獎。從天然石墨烯出發(fā)，通過氧化法制備氧化石墨烯，利用氧化石墨烯溶液的液晶行為，結(jié)合濕法紡絲技術(shù)，實現(xiàn)了石墨稀纖維的制備(Nat.Commun.2011,2,571)。石墨稀纖維的制備及其功能化已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。但是，目前所報道的石墨烯纖維的力學(xué)強(qiáng)度仍然比較低(500MPa)，仍然有很大的提升空間，可以通過原料以及紡絲工藝的優(yōu)化、后處理等方法制備出高強(qiáng)度的石墨烯纖維。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有石墨烯纖維制備技術(shù)的不足，提供一種高強(qiáng)度連續(xù)石墨烯纖維及其制備方法。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種高強(qiáng)度連續(xù)石墨烯纖維，該纖維由石墨稀沿著軸向有序排列而成，取向度為70?80%，密度為1.3?2g/cm3。
[0005]—種高強(qiáng)度連續(xù)石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟:
[0006](I)將I重量份的氧化石墨烯，10?100重量份的溶劑混合，超聲分散后得到氧化石墨烯分散液；
[0007](2)將步驟(I)得到的氧化石墨烯分散液，在0.001?0.1Pa的真空度下，脫氣處理10?60min，得到氧化石墨稀紡絲液；
[0008](3)將步驟(2)得到的氧化石墨稀紡絲液，以I?100mL/h的擠出速度，通過孔徑為60?300μπι的紡絲頭毛細(xì)管擠出后，進(jìn)入凝固浴，在10?60°C的凝固浴中停留5?60s，得到凝膠絲;將凝膠絲依次經(jīng)過轉(zhuǎn)速為50?100rpm/min和60?300rpm/min的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的棍軸，且第二個輥軸的轉(zhuǎn)速為第一個輥軸的轉(zhuǎn)速的1.1?2.5倍，同時用功率為20?200W的紅外燈干燥，收集得到連續(xù)的氧化石墨烯纖維；
[0009](4)將步驟(3)中所得的氧化石墨烯纖維置于還原劑中還原，洗滌干燥，得到連續(xù)的石墨烯纖維；
[0010](5)將步驟(4)中所得的石墨烯纖維置于600?1300°C的管式爐中，在氣氛中熱處理0.5?2h，得到高強(qiáng)度連續(xù)石墨烯纖維。
[0011]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中的溶劑主要由水、二甲亞砜、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氫呋喃中的一種或者多種按照任意配比混合組成。
[0012]進(jìn)一步地，所述步驟(3)中的凝固浴由甲醇、乙醇、乙酸乙酯、正丁醇、乙二醇、丙三醇、乙酸丁酯、醋酸正丙酯、乙酸、丙酮中的一種或多種按照任意配比混合組成。
[0013]進(jìn)一步地，所述步驟(4)中的還原劑由水合肼、硼氫化鈉、氫溴酸、氫碘酸、醋酸、三氟乙酸中的一種或多種按照任意配比混合組成。
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟(5)中所用的氣氛是氫氣、氬氣、氮?dú)庵械囊环N或多種按照任意配比混合組成。
[0015]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中，所述氧化石墨稀為徑向尺寸10?20μηι的單層氧化石墨稀。
[0016]本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0017]1、氧化石墨烯的初級原料為石墨，原料來源廣泛、易得、成本低廉；
[0018]2、采用經(jīng)典的濕法紡絲技術(shù)制備了氧化石墨烯纖維，操作簡便；
[0019]3、紡絲過程中采用了連續(xù)牽引拉伸工藝，有利于氧化石墨烯的取向排列，制得的氧化石墨烯纖維有良好的力學(xué)強(qiáng)度；
[0020]4、通過化學(xué)還原以及熱處理，部分的恢復(fù)了石墨烯的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了石墨烯片層之間的相互作用力，制得的石墨烯纖維有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度，同時具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為濕法紡絲裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度連續(xù)石墨烯纖維，該纖維由石墨烯沿著軸向有序排列而成，取向度高達(dá)70?80%，密度為1.3?2g/cm3，本發(fā)明還提供一種高強(qiáng)度連續(xù)石墨稀纖維的制備方法，該方法通過轉(zhuǎn)速為50?100rpm/min和60?300rpm/min的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的棍軸的連續(xù)牽引拉伸，使得氧化石墨烯沿軸向有序排列，輔助以功率為20?200W的紅外燈的干燥，部分地恢復(fù)了石墨烯的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了石墨烯片層之間的相互作用力；實現(xiàn)了石墨烯片層緊密堆積。首先制備得到的氧化石墨烯纖維的直徑為3?200μπι，拉伸強(qiáng)度為300?600MPa，斷裂伸長率為0.3?10%。經(jīng)還原后得到的石墨烯纖維的直徑為3?200μπι，拉伸強(qiáng)度為600?lOOOMPa，斷裂伸長率為0.1?10%，導(dǎo)電率高于100005/111。
[0023]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。本實施例只用于對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024]需要說明的是，本發(fā)明中，用于還原氧化石墨烯的還原劑，包括水合肼、硼氫化鈉、氫溴酸、氫碘酸、醋酸、三氟乙酸等，其濃度范圍均為本領(lǐng)域的公知常識。
[0025]實施例1:
[0026](I)將Ig氧化石墨烯和1g去離子水混合，于20°C以50KHz的超聲處理lh，得到氧化石墨烯分散液。
[0027](2)將(I)所得的氧化石墨烯分散液用循環(huán)水栗在0.1Pa的真空條件下，脫氣1min，得到氧化石墨稀紡絲液。
[0028](3)取(2)所得的氧化石墨稀紡絲液，以10mL/h的擠出速度通過內(nèi)徑為60μηι的紡絲頭毛細(xì)管，于25°C的乙酸乙酯凝固浴中停留1s變成凝膠纖維，將凝膠纖維依次經(jīng)過轉(zhuǎn)速為55rpm/min和60rpm/min的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的棍軸，此時對應(yīng)的拉伸比為1.1 (且第二個棍軸的轉(zhuǎn)速為第一個輥軸的轉(zhuǎn)速的1.1倍，)，同時用功率為20W的紅外燈干燥，收集得到連續(xù)的氧化石墨烯纖維；
[0029](4)將(3)獲得的氧化石墨烯纖維在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%氫碘酸水溶液中，加熱至90°C，充分還原12h，洗滌干燥得到石墨烯纖維。
[0030](5)將(4)獲得的石墨烯纖維，在充氬氣氣氛的700°C管式爐中處理0.5h，得到高強(qiáng)度連續(xù)石墨烯纖維。
[0031]經(jīng)過以上步驟，得到均一穩(wěn)定的氧化石墨烯紡絲液，氧化石墨烯紡絲液具有良好的切變流動性，在偏光顯微鏡下可以看到明顯的液晶條紋織構(gòu)。制備得到的纖維的直徑為20?30μηι，石墨稀片沿纖維的軸向排列。制備的氧化石墨稀纖維拉伸強(qiáng)度為300?600MPa，斷裂伸長率為I?3%，同時有良好的柔順性。還原形成的高強(qiáng)度石墨烯纖維拉伸強(qiáng)度為600?700MPa，斷裂伸長率為8?10%，導(dǎo)電率大于10000S/m。
[0032]實施例2:
[0033](1)將0.58氧化石墨烯和2(^ N，N-二甲基乙酰胺混合，于25°C以60KHz的超