一种导电石墨烯/银复合芳纶丝束及其制备方法与流程

本发明属于功能纺织品领域，具体涉及一种导电石墨烯/银复合芳纶丝束及其制备方法。

背景技术：

芳纶具有超高强度、高模量、耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能，广泛应用于复合材料、防弹制品、建材、特种防护服装、电子设备等领域。通过表面化处理可以提高芳纶的导电性或增加更多的优异的性能，拓展其应用领域，所以对芳纶的表面化处理一直是研究的热点。

石墨烯自2004年被a.geim和k.novoselov发现以来，由于其独特的二维平面结构和优越的光学、电学特性等优点，成为近几年的研究热点之一，其优异的透光率、电子迁移率和导电率、力学性能和机械延展性、良好的热稳定性与化学稳定性，使其在光电子器件领域具有广泛的应用前景。通过浸渍石墨烯对提高芳纶的导电性能有一定的帮助，但效果不是特别突出，而且会随着时间的延长有所减弱，所以需要进一步表面化处理提高其导电性，浸渍石墨烯和磁控溅射镀膜更加丰富了芳纶性能，特别是增强了导电性，拓展芳纶的应用领域。

技术实现要素：

本发明提供一种导电石墨烯/银复合芳纶丝束，该复合长丝增强了芳纶的导电性，赋予了芳纶长丝银和石墨烯的优异性能，拓展了芳纶应用领域。

本发明还提供上述导电石墨烯/银复合芳纶丝束的制备方法，该方法简单易控，对增强芳纶导电性有很大帮助。

本发明的技术方案为：

第一方面，导电石墨烯/银复合芳纶丝束，依次包括芳纶丝束基体层、石墨烯单片层和银薄膜；其中，所述芳纶丝束基体层的质量百分比为60％～70％，所述石墨烯单片层的质量百分比为5％～10％，所述银薄膜的质量百分比为25％～35％；

所述芳纶丝束基体层由若干芳纶长丝形成的丝束均匀排布而成；

所述石墨烯单片层由若干石墨烯纳米片均匀排布附着于所述芳纶丝束基体层表面；其中，所述石墨烯纳米片穿插延伸于所述芳纶长丝间隙；

所述银薄膜为由若干银颗粒均匀排布成网状结构的薄膜，厚度为600～1500nm，附着于所述石墨烯单片层表面；所述银颗粒部分嵌入所述石墨烯纳米片中并填充所述石墨烯纳米片间隙。

优选地，所述网状分布的银薄膜横向和纵向均为纳米级。

优选地，所述银薄膜的厚度为900～1200nm。

上述任一导电石墨烯/银复合芳纶丝束中，所述石墨烯单片层以嵌入形式附着在芳纶丝束基体上，提高石墨烯单片层与芳纶长丝的结合度，以及复合长丝的韧性和抗断裂强度。所述银薄膜以嵌入形式附着在石墨烯单片层上，银颗粒紧密相连并填充石墨烯纳米片间隙，提高石墨烯纳米片的致密性、结合度和连接性，进而增强石墨烯单片层和银薄膜的致密性、结合度和导电性能；而且石墨烯单片层上附着的银薄膜还可为石墨烯单片层提供保护，减缓对石墨烯单片层的破坏，进一步提高复合长丝的韧性和抗断裂强度，石墨烯单片层与银薄膜相互结合，进一步提高芳纶丝束的导电性能。另外，银薄膜采用网状分，在保证高导电性能的同时，降低银的使用量，节约投入成本。

第二方面，上述任一导电石墨烯/银复合芳纶丝束的制备方法，步骤包括：

(1)所述芳纶丝束用有机溶剂清洗后，进行低压真空等离子体修饰；

(2)将经步骤(1)中等离子体修饰的芳纶丝束浸入氧化石墨烯水溶液中，经恒温浸渍“二浸二轧”，得表面附着氧化石墨烯单片层的芳纶丝束；

(3)将步骤(2)中表面附着氧化石墨烯单片层的芳纶丝束浸入还原剂水溶液还原，并干燥，得表面附着石墨烯单片层的芳纶丝束；

(4)以步骤(3)中表面附着石墨烯单片层的芳纶丝束为基底，以银为靶材，且所述基底表面固定覆盖有格栅，抽真空后，充入不活泼气体并保持所述基底旋转的情况下，进行磁控溅射，在所述芳纶丝束表面附着的石墨烯单片层上附着银薄膜，即得。

步骤(1)中，芳纶丝束用有机溶剂清洗后，用蒸馏水漂洗并干燥；其中，漂洗的方式为超声或浸泡，优选为超声，更优选为密封超声。清洗的时间为0.5～5h，优选为1h。干燥温度为40℃～80℃，优选为80℃；干燥时间为2.5～6h，优选为5h。

步骤(1)中，低压真空等离子体修饰的参数为：温度为30℃～100℃，优选为80℃；压力为9×10^-4～3×10^-3pa，优选为1.3×10^-3pa；电源功率50～300w，优选为100～250w；时间1～20分钟，优选为10～15分钟；气体为不活泼气体与活泼气体的混合气体或者纯活泼气体，不活泼气体与活泼气体的体积比为1：1～9，优选为1：1～5；不活泼气体选自氩气、氮气、氟化氮或四氟化碳的一种，优选为氩气；活泼气体为氧气或氢气，优选为氧气。

步骤(2)中，芳纶丝束与氧化石墨烯水溶液的浴比为1：150～500，优选为1：250；氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的质量分数为0.2％～1％，优选为0.8％；恒温浸渍的温度为50℃～100℃，优选为80℃～100℃；恒温浸渍的时间为5～7h，优选为7h。

步骤(3)中，芳纶丝束与还原剂水溶液的浴比为1：150～500，优选为1：250；还原剂水溶液中还原剂的质量分数为5％～20％，优选为13％～17％；还原的温度70～90℃，优选为85～90℃；还原的时间为3～9h，优选为7h；还原剂选自水合肼、柠檬酸钠、硼氢化钠或维生素c中的一种，优选为水合肼；干燥的温度为40～80℃，优选为80℃；时间为0.5～6h，优选为2h。

步骤(4)中，表面附着石墨烯单片层的芳纶丝束基底与银靶材之间距离为100mm；不活泼气体为氩气、氦气或者氮气中的任意一种或两种以上组合，优选为氩气；不活泼气体的纯度为98％～99.9％，优选为99.9％；真空度为2.0×10^-4～1.5×10^-3pa，优选为9.0×10^-4pa；气体流速为6～15sccm，优选为10sccm；基底转速为6～60r/min，优选为10r/min；磁控溅射的功率为100～300w，优选为200～300w；磁控溅射的时间为5～40min，优选为10～20min。

低压真空等离子技术可对芳纶丝束表面进行清洗、蚀刻及活化，并可改变芳纶丝束(芳纶长丝)表面的化学组成，引入新的官能团，提高芳纶丝束(芳纶长丝)表面极性、浸润性、可粘结性及反应性，利于氧化石墨烯在芳纶丝束(芳纶长丝)表面交联聚合，并提高交联聚合成的氧化石墨烯单片层的致密性和牢固性，进而提高芳纶丝束(芳纶长丝)表面交联聚合的氧化石墨烯片层的致密性和牢固性。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用等离子技术对芳纶丝束进行修饰预处理，使长丝表面粗糙并产生自由基，形成活性点，对芳纶丝束表面进行清洗、刻蚀和活化，有效改善芳纶丝束表面的粗糙度，增强氧化石墨烯或者石墨烯与芳纶长丝的界面粘结强度，及氧化石墨烯纳米片或者石墨烯纳米片结构的牢固度，提升芳纶长丝的导电和牢度。

(2)本发明采用浸渍法在芳纶丝束表面粘结氧化石墨烯，再经过后期还原得到石墨烯。氧化石墨烯具有较为丰富的羧基、羟基及环氧基，在溶剂中分散性好，便于在芳纶丝束表面的粘结附着。

(3)本发明通过磁控溅射技术，在芳纶丝束表面粘结附着的石墨烯上粘结镀覆银颗粒，经磁控溅射技术，银颗粒嵌入石墨烯纳米片，并填充石墨烯纳米片间空隙，提高石墨烯单片层致密性、结合度和稳固性的同时，在石墨烯单片层上形成紧密相连的银薄膜，石墨烯片层和银薄膜的结合，大幅度提升石墨烯的导电性能。

(4)本发明制备的导电石墨烯/银复合芳纶丝束，具有优异的导电性，提高芳纶丝束的质量，扩展其应用领域，提升其商业价值。

附图说明

图1为本发明导电石墨烯/银复合芳纶丝束制备方法的流程示意图。

图2为本发明导电石墨烯/银复合芳纶丝束的结构示意图。

具体实施方式

本发明导电石墨烯/银复合芳纶丝束的制备过程如图1所示，下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1

芳纶丝束的等离子体预处理：首先将芳纶丝束分别浸入丙酮、酒精溶液中密封超声清洗0.5h，然后用蒸馏水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5h。然后采用低温真空等离子体设备对烘干的芳纶丝束进行表面修饰，等离子体修饰参数为：温度80℃，压力3.0×10^-3pa，电源功率为170w，处理时间为15min，充入气体为氧气，流量为12sccm。

石墨烯芳纶丝束的制备：将预处理后的芳纶丝束浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.8％的氧化石墨烯水溶液中，80℃恒温水浴浸渍7h，芳纶丝束与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:250，经“二浸二轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯芳纶丝束，再放入90℃、水合肼质量分数为15％的水合肼水溶液中还原7h，芳纶丝束与水合肼水溶液的浴比为1:250，接着放入80℃烘箱中干燥1h得到石墨烯芳纶丝束。

石墨烯/银复合芳纶丝束的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯芳纶丝束上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯芳纶丝束基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至9.0×10^-4pa，然后以10sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为10r/min。300w溅射功率下溅射25min制备得到石墨烯/银复合芳纶丝束。

本实施例制备的石墨烯/银复合芳纶丝束的导电性能为1.06ω/sq，芳纶丝束直接浸渍氧化石墨烯后还原得到的芳纶丝束的导电性能为11.17mω/sq。

实施例2

芳纶丝束的等离子体预处理：首先将芳纶丝束分别浸入丙酮、酒精溶液中密封超声清洗0.5h，然后用蒸馏水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5h。然后采用低温真空等离子体设备对烘干的芳纶丝束进行表面修饰，等离子体修饰参数为：温度80℃，压力3.0×10^-3pa，电源功率为200w，处理时间为15min，氧气和氩气的比例3:1，流量为12sccm。

石墨烯芳纶丝束的制备：将预处理后的芳纶丝束浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.8％的氧化石墨烯水溶液中，80℃恒温水浴浸渍7h，芳纶丝束与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:250，经“二浸二轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯芳纶丝束，再放入90℃、水合肼质量分数为15％的水合肼水溶液中还原7h，芳纶丝束与水合肼水溶液的浴比为1:250，接着放入80℃烘箱中干燥1h得到石墨烯芳纶丝束。

石墨烯/银复合芳纶丝束的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯芳纶丝束上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯芳纶丝束基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至9.5×10^-4pa，然后以10sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为10r/min。300w溅射功率下溅射25min制备得到石墨烯/银复合芳纶丝束。

本实施例制备的石墨烯/银复合芳纶丝束的导电性能为5.26ω/sq，芳纶丝束直接浸渍氧化石墨烯后还原得到的芳纶丝束的导电性能为11.17mω/sq。

实施例3

芳纶丝束的等离子体预处理：首先将芳纶丝束分别浸入丙酮、酒精溶液中密封超声清洗0.5h，然后用蒸馏水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5h。然后采用低温真空等离子体设备对烘干的芳纶丝束进行表面修饰，等离子体修饰参数为：温度80℃，压力3.0×10^-3pa，电源功率为200w，处理时间为20min，氧气和氩气的比例5:1，流量为12sccm。

石墨烯芳纶丝束的制备：将预处理后的芳纶丝束浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.8％的氧化石墨烯水溶液中，80℃恒温水浴浸渍7h，芳纶丝束与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:250，经“二浸二轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯芳纶丝束，再放入90℃、水合肼质量分数为15％的水合肼水溶液中还原7h，芳纶丝束与水合肼水溶液的浴比为1:250，接着放入80℃烘箱中干燥3h得到石墨烯芳纶丝束。

石墨烯/银复合芳纶丝束的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯芳纶丝束上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯芳纶丝束基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至9.5×10^-4pa，然后以10sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为10r/min。300w溅射功率下溅射25min制备得到石墨烯/银复合芳纶丝束。

本实施例制备的石墨烯/银复合芳纶丝束的导电性能为3.13ω/sq，芳纶丝束直接浸渍氧化石墨烯后还原得到的芳纶丝束的导电性能为11.17mω/sq。

实施例4

芳纶丝束的等离子体预处理：首先将芳纶丝束分别浸入丙酮、酒精溶液中密封超声清洗0.5h，然后用蒸馏水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5h。然后采用低温真空等离子体设备对烘干的芳纶丝束进行表面修饰，等离子体修饰参数为：温度80℃，压力3.0×10^-3pa，电源功率为200w，处理时间为20min，氧气和氩气的比例5:1，流量为12sccm。

石墨烯芳纶丝束的制备：将预处理后的芳纶丝束浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.8％的氧化石墨烯水溶液中，80℃恒温水浴浸渍7h，芳纶丝束与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:250，经“二浸二轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯芳纶丝束，再放入90℃、水合肼质量分数为15％的水合肼水溶液中还原3h，芳纶丝束与水合肼水溶液的浴比为1:250，接着放入80℃烘箱中干燥1h得到石墨烯芳纶丝束。

石墨烯/银复合芳纶丝束的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯芳纶丝束上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯芳纶丝束基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至9.5×10^-4pa，然后以10sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为10r/min。200w溅射功率下溅射20min制备得到石墨烯/银复合芳纶丝束。

本实施例制备的石墨烯/银复合芳纶丝束的导电性能为5.20ω/sq，芳纶丝束直接浸渍氧化石墨烯后还原得到的芳纶丝束的导电性能为11.17mω/sq。

实施例5

芳纶丝束的等离子体预处理：首先将芳纶丝束分别浸入丙酮、酒精溶液中密封超声清洗0.5h，然后用蒸馏水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5h。然后采用低温真空等离子体设备对烘干的芳纶丝束进行表面修饰，等离子体修饰参数为：温度80℃，压力1.3×10^-3pa，电源功率为200w，处理时间为20min，氧气和氩气的比例2:1，流量为12sccm。

石墨烯芳纶丝束的制备：将预处理后的芳纶丝束浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.8％的氧化石墨烯水溶液中，80℃恒温水浴浸渍7h，芳纶丝束与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:250，经“二浸二轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯芳纶丝束，再放入90℃、水合肼质量分数为15％的水合肼水溶液中还原7h，芳纶丝束与水合肼水溶液的浴比为1:250，接着放入80℃烘箱中干燥2h得到石墨烯芳纶丝束。

石墨烯/银复合芳纶丝束的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯芳纶丝束上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯芳纶丝束基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至9.5×10^-4pa，然后以10sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为10r/min。200w溅射功率下溅射15min制备得到石墨烯/银复合芳纶丝束。

本实施例制备的石墨烯/银复合芳纶丝束的导电性能为0.95ω/sq，芳纶丝束直接浸渍氧化石墨烯后还原得到的芳纶丝束的导电性能为11.17mω/sq。

实施例6

芳纶丝束的等离子体预处理：首先将芳纶丝束分别浸入丙酮、酒精溶液中密封超声清洗0.5h，然后用蒸馏水漂洗以除去溶剂，接着放入80℃烘箱中干燥5h。然后采用低温真空等离子体设备对烘干的芳纶丝束进行表面修饰，等离子体修饰参数为：温度80℃，压力1.3×10^-3pa，电源功率为200w，处理时间为20min，氧气和氩气的比例4:1，流量为10sccm。

石墨烯芳纶丝束的制备：将预处理后的芳纶丝束浸渍在氧化石墨烯质量分数为0.8％的氧化石墨烯水溶液中，80℃恒温水浴浸渍7h，芳纶丝束与氧化石墨烯水溶液的浴比为1:250，经“二浸二轧”工艺后，制备得到氧化石墨烯芳纶丝束，再放入90℃、水合肼质量分数为15％的水合肼水溶液中还原7h，芳纶丝束与水合肼水溶液的浴比为1:250，接着放入80℃烘箱中干燥1h得到石墨烯芳纶丝束。

石墨烯/银复合芳纶丝束的制备：采用msp-300c型磁控溅射镀膜设备在石墨烯芳纶丝束上镀覆纳米银薄膜，保持石墨烯芳纶丝束基底与银靶材之间的距离为100mm。首先将磁控溅射真空腔抽真空度至9.5×10^-4pa，然后以10sccm的气体流速充入纯度99.9％氩气的同时，进行磁控溅射。为了改善镀覆纳米银薄膜的均匀性，磁控溅射过程中保持基底转速为10r/min。150w溅射功率下溅射15min制备得到石墨烯/银复合芳纶丝束。

本实施例制备的石墨烯/银复合芳纶丝束的导电性能为2.78ω/sq，芳纶丝束直接浸渍氧化石墨烯后还原得到的芳纶丝束的导电性能为11.17mω/sq。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。