一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法与流程

本发明属于碳纳米管领域，特别涉及一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法。

背景技术：

碳纳米管材料已经被证明在许多应用中表现出优异的性能，例如超级电容器，驱动器和传感器等。碳纳米管是一种被广泛使用并且具有非凡物理和化学性能的电极材料，而将碳纳米管从纳米结构组成为宏观纤维也已被证明是一个可行的方法。

碳纳米管能够通过湿法或者固相阵列抽丝等方式被纺成纤维，具有高导电性、拉伸强度和稳定性等特点。但由于碳纳米管在纤维内部相互堆叠大幅度增加了截面的组装密度，使得纤维本身的比电容并不是特别优秀。为了解决这一问题，研究者们通过将碳纳米管与石墨烯复合，使两种材料相互支撑，从而增加内部的孔隙率提高离子交换的数量和效率。

目前，如何快速、大规模制备碳纳米管/石墨烯复合材料成为研究人员的关注热点。2009年，yu等人使用阳离子聚乙烯亚胺对氧化石墨烯进行改性，使得氧化石墨烯片层带正电荷，随后将酸化处理过且带负电荷的单壁碳纳米管加入改性氧化石墨烯的水溶液中。两种材料在50度真空干燥箱中自发组装，构成具有内部交联结构复合膜。然而在制备过程中氧化石墨烯的改性以及材料的自组装存在耗时长、产率低等问题，难以大规模生产[yud,dail.jphyschemlett,2009,1(2):467-470.]。2011年，du等人将高度取向热解石墨进行酸处理，并利用高温使石墨片层膨胀分离，随后在制备的石墨烯片层间添加催化剂，利用化学气相沉积的方法在片层间垂直生长出碳纳米管，得到具有三维立体结构的复合材料。然而，这种方法同样存在着产率低、耗时长、生产设备要求高等问题[dufetal.，chemmater,2011,23(21):4810-4816.]。

在2012年，zhu等人通过直接生长的方式，在已经利用化学气相沉积的方法制备的石墨烯片层上再次使用气相沉积法生长碳纳米管，制备出三维立体结构的碳纳米管/石墨烯材料。但是，这种制备方法过程复杂、所用时间过长、而且制备条件和最终产量的限制同样不适于大规模生产[zhuyetal.，natcommun,2012,3:1225.]。2014年，yu等人将酸化的单壁碳纳米管、氧化石墨烯以及乙二胺加入水中形成稳定的分散液，在220度的环境下，氧化石墨烯被还原成石墨烯并与碳纳米管一起发生热组装，组装后的材料通过弯曲的玻璃管最终得到了碳纳米管/石墨烯复合纤维。在这种纤维中，石墨烯起到对碳纳米管的支撑作用，大大提高了纤维横截面的比表面积。然而，这种方法需要通过对氧化石墨烯进行还原，对纤维的导电性有所影响，而且还需要进行高温加热，对大规模生产化的投入较大[yudetal.，natnanotech，2014，9(7):555-562.]。2014年，专利cn201410233432.7中介绍了一种石墨烯碳纳米管复合纤维基超级电容器的制备方法，专利中将氧化石墨烯和碳纳米管进行复合，使用湿法纺丝的方法将复合纺丝液通过纺丝、洗涤、干燥等步骤得到氧化石墨烯碳纳米管复合纤维。随后通过还原氧化石墨烯得到石墨烯碳纳米管复合纤维，这种纤维导电性稍差，并且部分还原剂对人体和环境都有害，纤维的实际制备过程比较繁琐。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法，该方法制备的碳纳米管/石墨烯复合纤维，导电性好，纤维横截面呈现立体多孔结构，是作为超级电容器的优秀电极材料，为今后大规模生产高性能导电纤维、电极材料奠定了基础。

本发明提供了一种碳纳米管/石墨烯复合纤维的制备方法，包括：

(1)将石墨粉、氯磺酸和过氧化氢按质量比1:150-200:50-100进行混合，边搅拌边进行剥离，得到少层或多层石墨烯溶液；然后进行离心水洗、真空冷冻干燥，得到石墨烯；

(2)将步骤(1)得到的石墨烯与单壁碳纳米管加入氯磺酸中，搅拌、过滤得到碳纳米管/石墨烯复合纺丝液；其中，所述石墨烯、单壁碳纳米管和氯磺酸的质量比为1:1-8:100-450；

(3)将步骤(2)得到的纺丝液进行湿法纺丝，得到的纤维经过洗涤、干燥即得到碳纳米管/石墨烯复合纤维。

所述步骤(1)中将氯磺酸添加到石墨粉中搅拌30-60分钟，随后再加入过氧化氢混合。

所述步骤(1)中的离心水洗的工艺参数为：离心机转速10000-12000rpm，水洗后上层液体ph值为6-7。

所述步骤(2)中将石墨烯预先加入氯磺酸中超声处理10-20分钟。

所述步骤(2)中的搅拌的工艺参数为：采用自转公转脱泡搅拌机，转速为1500-2000r/min，时间为10-20分钟。

所述步骤(3)中的湿法纺丝的工艺参数为：纺丝液挤出速率为10-30ml/h，转台旋转速度为15-25r/min，纺丝头大小为18-25g。

所述步骤(3)中的湿法纺丝采用的凝固浴为丙酮、乙腈、氯仿、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、乙醇中的一种。

本发明利用氯磺酸和过氧化氢的剧烈反应，产生大量热，石墨片层之间的范德华力被热量破坏，从而在处理后体积膨胀并且能够在短时间内被剥离出石墨烯片层。将离心清洗、冷冻干燥后的石墨烯重新加入氯磺酸中，并使用超声波进行处理，能够得到浓度为4-20mg/ml的分散液。通过这种方法剥离石墨烯，速度快、产率高，而且石墨烯不容易被氧化。

在氯磺酸中，由于单壁碳纳米管的质子化使得碳管能够自发地进行溶解，随之产生的静电斥力能够与碳管之间的范德华力相互抵消避免碳管重新团聚。对于不同的碳纳米管浓度，能够观察到三种不同的机制。在低浓度时，单壁碳纳米管在酸中是随机取向的(且各向同性)；在中等浓度下，能观察到溶液中共存各向同性和液晶相，两相之间相互平衡；而更高的浓度导致溶液完全液晶化。

有益效果

本发明将单壁碳纳米管加入石墨烯的氯磺酸溶液中进行混合，能够得到可以进行湿法纺丝的液晶态纺丝液；通过这种方法制备的碳纳米管/石墨烯复合纤维，导电性好，纤维横截面呈现立体多孔结构，是作为超级电容器的优秀电极材料，为今后大规模生产高性能导电纤维、电极材料奠定了基础。

附图说明

图1a-f为实施例1制备过程和得到的复合纤维的数码照片；

图2为实施例1得到的复合纤维的数字光学显微镜(a，b)图；

图3为实施例1得到的复合纤维的扫描电镜(a，b，c，d)图；

图4为实施例2得到的复合纤维的扫描电镜(a，b)图；

图5为实施例3得到的复合纤维的扫描电镜(a，b)图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例所用的石墨粉均为化学纯，颗粒尺度为300～400目，含量>95％；所使用的氯磺酸均为99％的化学纯；所使用的过氧化氢均为30％的分析纯；所使用的单壁碳纳米管均为化学纯，碳管直径<1.5nm，长度1-5μm，碳管壁数1-5层；所使用的凝固浴均为99％的化学纯。

实施例1

(1)称取0.1克的石墨粉于玻璃器皿中，首先将10毫升(约17.5g)的氯磺酸缓慢地加入到石墨粉中，使用超声处理将团聚的石墨颗粒分开，并在磁力搅拌机下持续搅拌。搅拌30分钟后，使石墨粉和氯磺酸均匀的混合。此后，在搅拌的条件下，将6毫升(约7g)的过氧化氢缓慢地加入到石墨粉和氯磺酸的混合液中。

(2)将步骤(1)获得的液体通过高速离心的方法(10000r/min)多次清洗去除残留的酸，直到ph值达到7左右。随后将得到的石墨烯分散液进行冻干处理(真空，零下57摄氏度)，得到剥离好的石墨烯粉末。

(3)称取步骤(2)中制备好的石墨烯粉末12毫克，加入1毫升氯磺酸(约1.75g)中超声20分钟，随后称取单壁碳纳米管24毫克加入。使用自转公转脱泡搅拌机搅拌20分钟，转速为2000r/min。

(4)将步骤(3)中混合好的液晶态碳纳米管/石墨烯溶液过滤去除未溶解的杂质后转移到5毫升玻璃针管中，针头尺寸为22g。使用数控注射泵将纺丝液挤入丙酮溶液中，挤出速率为25ml/h，旋转转台转速为20r/min。将得到的碳纳米管纤维用去离子水充分清洗后，放入120℃烘箱干燥，最终获得所需纤维。

图1为本实施例的制备流程和所得纤维的数码照片，图1(a)中是未加入氯磺酸和过氧化氢的石墨粉的数码照片；图1(b)是石墨粉末经过氯磺酸和过氧化氢处理后体积膨胀的数码照片；图1(c)是将膨胀后的石墨经过水洗和冻干得到“海绵”状的石墨烯片层数码照片；图1(d)是将得到石墨烯重新加入氯磺酸并使用超声进行处理后，加入单壁碳纳米管进行混合得到的液晶态纺丝液数码照片；图1(e)是进行湿法纺丝的设备示意图；图1(f)是制备得到的连续碳纳米管/石墨烯复合纤维数码照片。

图2为本实施例中碳纳米管/石墨烯复合纤维的数字光学显微镜图，从图2(a)和(b)可以得出所制备的纤维非常柔软甚至可以将单根纤维进行打结或是将两根纤维进行加捻。

图3为本实施例中得到的碳纳米管/石墨烯复合纤维的电子显微镜图，图3(a)和(b)为碳纳米管/石墨烯复合纤维的横截面电镜图，石墨烯片层被连续的单壁碳纳米管束附着，形成了一种石墨烯-碳纳米管-石墨烯的立体结构。图2(c)和(d)是湿态碳纳米管/石墨烯纤维的横截面电子显微镜图，纤维显示出多孔结构，当纤维在烘箱中干燥后，尽管两种材料都有着向内收缩的趋势，但由于两者之间的相互支撑作用，纤维内部的孔隙结构在一定程度收缩后形成了(a)和(b)中的立体结构。

经过测试，比电容达到49.7f/g，比单纯的湿纺碳纳米管纤维(35.8f/g)高约38.8％。

实施例2

(1)称取0.1克的石墨粉于玻璃器皿中，首先将11.5毫升(约20g)的氯磺酸缓慢地加入到石墨粉中，使用超声处理将团聚的石墨颗粒分开，并在磁力搅拌机下持续搅拌。搅拌40分钟后，使石墨粉和氯磺酸均匀的混合。此后，在搅拌的条件下，将9毫升(约10g)的过氧化氢缓慢地加入到石墨粉和氯磺酸的混合液中。

(2)将步骤(1)获得的液体通过高速离心的方法(11000r/min)多次清洗去除残留的酸，直到ph值达到6.5左右。随后将制备得到石墨烯分散液进行冻干处理(真空，零下57摄氏度)，得到剥离好的石墨烯粉末。

(3)称取步骤(2)中制备好的石墨烯粉末9毫克，加入1毫升氯磺酸(约1.75g)中超声15分钟，随后称取加入单壁碳纳米管27毫克。使用自转公转脱泡搅拌机搅拌15分钟，转速为1800r/min。

(4)将步骤(3)中混合好的液晶态碳纳米管/石墨烯溶液过滤去除未溶解的杂质后转移到5毫升玻璃针管中，针头尺寸为20g。使用数控注射泵将纺丝液挤入无水乙醇溶液中，挤出速率为20ml/h，旋转转台转速为25r/min。将得到的碳纳米管纤维用去离子水充分清洗后，放入120度烘箱干燥，最终获得所需纤维。

图4为本实施例中得到的碳纳米管/石墨烯复合纤维的扫描电镜图，从图4(a)和(b)中可以观察到石墨烯片层与碳纳米管束相结合，形成类似分层结构的立体形态。

经过测试，比电容达到36.7f/g，比单纯的湿纺碳纳米管纤维(35.8f/g)高约2.5％。

实施例3

(1)称取0.1克的石墨粉于玻璃器皿中，首先将8.5毫升(约15g)的氯磺酸缓慢地加入到石墨粉中，使用超声处理将团聚的石墨颗粒分开，并在磁力搅拌机下持续搅拌。搅拌60分钟后，使石墨粉和氯磺酸均匀的混合。此后，在搅拌的条件下，将4.5毫升(约5g)的过氧化氢缓慢地加入到石墨粉和氯磺酸的混合液中。

(2)将步骤(1)获得的液体通过高速离心的方法(12000r/min)多次清洗去除残留的酸，直到ph值达到6左右。随后将制备得到石墨烯分散液进行冻干处理(真空，零下57摄氏度)，得到剥离好的石墨烯粉末。

(3)称取步骤(2)中制备好的石墨烯粉末18毫克，加入1毫升氯磺酸(约1.75g)中超声10分钟，随后称取单壁碳纳米管18毫克加入。使用自转公转脱泡搅拌机搅拌10分钟，转速为1500r/min。

(4)将步骤(3)中混合好的液晶态碳纳米管/石墨烯溶液过滤去除未溶解的杂质后转移到5毫升玻璃针管中，针头尺寸为25g。使用数控注射泵将纺丝液挤入氯仿溶液中，挤出速率为30ml/h，旋转转台转速为15r/min。将得到的碳纳米管纤维用去离子水充分清洗后，放入120℃烘箱干燥，最终获得所需纤维。

图5为本实施方式中得到的碳纳米管/石墨烯复合纤维的扫描电镜图，从图5(a)和(b)中可以观察到大量石墨烯片层与碳纳米管束相结合，反而无法形成多孔立体结构。

经过测试，比电容达到44.1f/g，比单纯的湿纺碳纳米管纤维(35.8f/g)高约23.2％。