一种快速响应的石墨烯纤维及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种快速响应的石墨締纤维及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 2004年英国曼彻斯特大学安德烈.吉姆和康斯坦下.诺沃肖洛夫教授采用微机械 剥离法首次分离出二维石墨締晶体，并且因为在二维石墨締材料上的开创性实验获得2010 年的诺贝尔物理学奖，由此石墨締材料引起全世界科学家们广泛的研究。石墨締具有高断 裂强度和杨氏模量，电学性能优异。石墨締具有共辆结构，表现出丰富的化学性质，可W通 过不同的化学反应来进行表面修饰，得到一系列化学衍生物。石墨締材料具有超高热导率， 实验值达到5000W/mK，可W作为优异的电热材料。传统电热材料如儀铭合金，存在成本高， 密度大，质量重，易变形和加工工艺复杂等缺点，不适用于不规则的底物，而石墨締材料柔 初性好，质量轻，制作工艺简单，加热速率快，热响应溫度高，可W用于各种形状的底物，并 且可W制作只能人体发热织物，用于红外治疗等，有希望替代传统电热材料广泛应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种快速响应的石墨締纤维及其制备 方法。
[0004] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的：一种快速响应的石墨締纤维，所述纤 维为由石墨締纳米片组成的双阿基米德螺旋结构，片层间距为〇.336nm，纤维的碳氧比为 52.66-98，XRD衍射峰位置为26.4°。
[0005] -种快速响应的石墨締纤维的制备方法，它的步骤如下：
[0006] (1)制备厚度为0.8~50WI1的氧化石墨締膜；
[0007] (2)^0.1-1°(：/111111的速率升溫到500-800°(：，保溫0.5-211，再^1-3°(：/111111的速率 升溫到1000-1300°C，保溫0.5-化，然后W5-8°C/min的速率升溫到2000-3000 °C，保溫0.5-地，；
[000引（3)将步骤3热处理后的石墨締膜裁剪成石墨締条，将石墨締条一端固定，另一端 与转速为50-250转/min的转子相连，沿径向卷绕I-Smim后，得到快速响应的石墨締纤维。
[0009] 进一步地，所述步骤（1)中的氧化石墨締膜将氧化石墨締的水溶液通过真空抽滤 法，旋涂法，喷涂法或者铺膜等方法中的一种制备得到。
[0010] 进一步地，所述氧化石墨締通过天然石墨化学氧化剥离法获得。
[0011] 本发明与传统的加热元件儀铭合金等相比，石墨締纤维可W在较短时间内实现对 高溫的快速响应，原因是石墨締的热容很小，而且热质量也很小，产生的热不能大量聚集而 产生热消散，通过高溫处理后，大量的含氧官能团被除去，共辆结构得到恢复，导电性能得 到很大的提高。进一步通过卷绕，使得石墨締纤维的内部空隙逐渐被挤出，石墨締纤维具有 紧密的卷绕结构，因此电阻变小，从而使得石墨締纤维具有更好的电热效应。在相同的电压 下，升溫速率和饱和溫度都有显著提高。在安全电压0.5V-5V下可W在很短时间1S-20S内实 现对高溫30°c-42(rc的快速响应。有益效果在于：
[0012] 1.石墨締的原料为石墨，成本低廉，原料广泛易得。
[OOK] 2.石墨締纤维的长度和直径可控，易于制备。
[0014] 3.克服传统电热材料脆性的缺点，可W任意弯折和依附在底物上。
[0015] 4.与传统电热材料相比，具有超高的加热速率和降溫速率，超高的溫度响应。
[0016] 5.石墨締纤维的工作电压较低，可W用于人体。
[0017] 6.石墨締纤维可W单根使用或者编织成织物，作为电热布使用。
【附图说明】
[001引图1纤维的沈M图；
[0019]图2为沿径向卷绕的示意图；
[0020] 图3为石墨締纤维的红外热像图的灰度图。
【具体实施方式】
[0021] 如图1所示，本发明一种快速响应的石墨締纤维，所述纤维为由石墨締纳米片组成 的双阿基米德螺旋结构（结构可参考文献Biscrolling Nano1:ube Sieets and F^mctional Guests into Yarns)，片层间距为0.336nm，纤维的碳氧比为52.66,XRD衍射峰位置为 26.5。。
[0022] 本发明一种超级可拉伸的高导电的石墨締纤维的制备方法，步骤如下：
[0023] (1)通过天然石墨化学氧化剥离法获得氧化石墨締，制备厚度为0.8~50WI1的氧化 石墨締膜；
[0024] (2)把步骤1制备的厚度为0.8~50WI1的氧化石墨締膜，按照表1~表3所示的方式 进行热处理，得到石墨締膜。
[0025] (3)将步骤2处理后的石墨締膜裁剪成石墨締条，将石墨締条一端固定，另一端与 转速为80转/min的转子相连，沿径向卷绕3min后（一端固定，另一端在转子带动下不断转 动，类似于磋麻绳，如图2所示），不同热处理方式得到的各个产物的电学性能见表1~表3。
[0026] 其中步骤（1)中的氧化石墨締膜可通过真空抽滤法，旋涂法或者喷涂法等方法中 的一种制备得到。
[0027] 表 1
[0033] 从表1~表3中可W看出，本材料的电热性能主要由内部氧化石墨締片结构修复情 况，即官能团的脱落W及高溫下碳共辆结构的修复决定。
[0034] 表1中，通过比较A1\B1\C1\D1\E1，A1的溫度过低，不足W除去大部分易降解的官 能团，导致第二步高溫过程中气体大量快速产生，在高溫下撕裂片层结构;El溫度过高，产 生气体过快，会大量撕裂材料内部结构，两者都会使得材料性能变差。唯有在Bl、Cl、D1溫度 下，官能团会缓慢并彻底清除，W保障材料性能。通过比较C1\F1\G1\H1，F1升溫速率过低， 气体释放过于缓慢;Hl升溫过程过快，气体释放过快，撕裂材料内部结构，不利于形成传输 通道。通过比较C1\I1\J1\K1\L1\M1，I1保溫时间过短，不能保证大部分官能团的降解;Ml保 溫过程过长，会吸收炉子里面的焦油，不利于性能的提升。JUKULl正好避免了 W上上述两 种不利条件
[0035] 表2中，通过比较A2\B2\C2\D2\E2，A2升溫速率过低，严重影响电热性能。E2升溫速 度过高，会撕裂石墨締层间结构，使得性能变差。唯有B2、C2、D2的升溫速度下，才会有才能 既保证结构又保证石墨締的导电性。通过比较C2\F2\G2\H2，F2溫度过低，使得稳定的官能 团不能充分脱离，在后续石墨化的过程中容易过渡释放气体，破坏内部结构;通过比较C2\ I2\J2\K2\L2\M2，I2保溫时间过短，稳定的官能团不能充分脱落;M2时间过长，石墨締容易 吸附焦油，不利于石墨締性能的提升；而C2、J2、K2条件下既可W保证稳定官能团的充分脱 落，又能避免焦油的困扰。
[0036] 表3中，通过比较A3\B3\C3\D3\E3，A3升溫速率过低，最稳定官能团脱落的过慢，不 利于导电网络的形成;E3升溫过程过快，气体释放W及高溫膨胀过快，容易破坏结构。只有 B3、C3、D3的情况下，导电网络的石墨締才能稳定的形成，石墨締上的结构才能缓慢的修复。 通过比较C3\F3\G3W3\I3，F3终点溫度过低，石墨締结构修复不够完善，所W各种性能都很 差；13终点溫度过高，石墨締会被汽化掉；C3、G3、H3的溫度下才能既保证石墨締结构的修 复，又不会被汽化掉。通过比较C3\J3\K3\L3\M3，J3保溫时间过低，石墨締结构不能充分修 复，M3保溫时间过长，也会使得吸附炉体里的焦油，影响性能。
【主权项】
1. 一种快速响应的石墨烯纤维，其特征在于，所述纤维为由石墨烯片层卷绕形成的双 阿基米德螺旋结构，片层间距为0.336nm，纤维的碳氧比为52.66-98，XRD衍射峰位置为 26·4。。2. -种快速响应的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，它的步骤如下： (1) 制备厚度为0.8~50μηι的氧化石墨稀月旲； (2) 以0.1-rC/min的速率升温到500-800°C，保温0.5-2h，再以l-3°C/min的速率升温 至lj 1000-1300 °C，保温0.5-3h，然后以 5-8 °C/min的速率升温到2000-3000 °C，保温0.5-4h; (3) 将步骤3热处理后的石墨烯膜裁剪成石墨烯条，将石墨烯条一端固定，另一端与转 速为50-250转/min的转子相连，沿径向卷绕l-5min时间后，得到快速响应的石墨稀纤维。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤（1)中的氧化石墨烯膜将氧化石 墨烯的水溶液通过真空抽滤法，旋涂法，喷涂法或者铺膜等方法中的一种制备得到。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯通过天然石墨化学氧化剥 尚法获得。
【专利摘要】本发明公开了一种快速响应的石墨烯纤维及其制备方法。方法为：将氧化石墨烯膜以0.1-1℃/min的速率升温到500-800℃，保温0.5-2h，再以1-3℃/min的速率升温到1000-1300℃，保温0.5-3h，然后以5-8℃/min的速率升温到2000-3000℃，保温0.5-4h，得到石墨烯膜，再均匀卷绕后，得到石墨烯纤维；该纤维在安全电压0.5V-5V下可以在很短时间1s-20s内实现对高温30℃-420℃的快速响应，石墨烯纤维可以缠绕在加热体上，也可以编织成电热布使用，克服传统电热材料升温慢、施加电压高等缺点，是优良的电热材料，具备工业化前景。
【IPC分类】D01F9/12, D01D5/42
【公开号】CN105603581
【申请号】CN201610049310
【发明人】高超, 王冉, 刘英军, 赵晓莉
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年1月25日