一种超细石墨烯纤维及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种石墨烯纤维，尤其涉及一种超细石墨烯纤维及其制备方法。
【背景技术】
[0002 ]石墨稀(graphen e)是由单碳原子层构成的一种新型二维晶体材料，具有已知材料最好的力学性能(断裂强度125GPa、杨氏模量IlOOGPa)，以及优异的电学性能(室温下电子迀移率可达2X105cm2/Vs)和突出的导热性能(5000W/mK)，被称为神奇的材料。Andre Geim和Konstantin Novoselov因为对石墨稀研究的贡献获得了2010年诺贝尔物理奖。从天然石墨烯出发，通过氧化法制备氧化石墨烯，利用氧化石墨烯溶液的液晶行为，结合湿法纺丝技术，实现了石墨稀纤维的制备(Nat.Commun.2011,2,571)。石墨稀纤维的制备及其功能化已经成为当前研究的热点。但是，目前所报道的石墨烯纤维的力学强度较差，难以满足应用需求。仍然有很大的提升空间，可以通过原料以及纺丝工艺的优化、纤维细旦化、优化后处理工艺等方法制备出高强度的石墨烯纤维。
[0003]众所周知，纤维越细，其缺陷越少，因此强度越高。制备超细纤维是本领域的一个技术难点，就碳纤维而言，目前制备的极限直径也在5-7um左右。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有石墨烯纤维的不足，提供一种超细石墨烯纤维及其制备方法。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种超细石墨烯纤维，该纤维由石墨烯沿着轴向有序排列而成，纤维直径为I?4wii，取向度为80?90%，密度为1.6?2.2g/cm3，可以连续规模化制备。
[0006]—种超细石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤:
[0007](I)将I重量份的氧化石墨烯，100?1000重量份的溶剂混合，超声分散后得到氧化石墨烯分散液；
[0008](2)将步骤(I)得到的氧化石墨烯分散液，在0.001?0.1Pa的真空度下，脱气处理10?60min，得到氧化石墨稀纺丝液；
[0009](3)将步骤(2)得到的氧化石墨烯纺丝液，以100?200mL/h的流速通过孔径为20?80μπι的喷丝口，进入凝固浴，在1?60 °C的凝固浴中停留5?60 s，得到初生凝胶纤维;将初生凝胶纤维通过转速为200?500rpm/min辊轴的连续牵引拉伸，同时用功率为100?300W的红外灯干燥，收集得到氧化石墨烯纤维；
[0010](4)将步骤(3)中所得的氧化石墨烯纤维置于还原剂中还原，洗涤干燥，得到连续的石墨烯纤维；
[0011](5)将步骤(4)中所得的石墨烯纤维置于600?1300°C的管式炉中，在气氛中热处理0.5?2h，得到高强度连续石墨烯纤维。
[0012]进一步地，所述步骤(I)中的溶剂主要由水、二甲亚砜、N，N_ 二甲基甲酰胺、N，N_ 二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的一种或者多种按照任意配比混合组成。
[0013]进一步地，所述步骤(3)中的凝固浴是由甲醇、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、丙酮中的一种或多种按照任意配比混合组成。
[0014]进一步地，所述步骤(4)中的还原剂由水合肼、硼氢化钠、氢溴酸、氢碘酸、醋酸、三氟乙酸中的一种或多种按照任意配比混合组成。
[0015]进一步地，所述步骤(5)中所用的气氛是氢气、氩气、氮气中的一种或多种按照任意配比混合组成。
[0016]进一步地，所述步骤(I)中，所述氧化石墨稀为径向尺寸10?20μηι的单层氧化石墨稀。
[0017]本发明具有以下技术效果:
[0018]1、氧化石墨烯的初级原料为石墨，原料来源广泛、易得、成本低廉；
[0019]2、采用经典的湿法纺丝技术制备了氧化石墨烯纤维，操作简便，可实现连续制备；
[0020]3、纺丝过程中采用了连续牵引拉伸工艺，有利于氧化石墨烯的取向排列，制得的氧化石墨烯纤维有良好的力学强度；
[0021]4、通过化学还原以及热处理，部分的恢复了石墨烯的结构，增强了石墨烯片层之间的相互作用力，制得的石墨烯纤维有优异的力学强度，同时具有优异的导电性。
【具体实施方式】
[0022]本发明提供了一种超细高强度的石墨烯纤维，该纤维由石墨烯沿着轴向有序排列而成，纤维直径为I?4μηι，取向度为80?90 %，密度为1.6?2.2g/cm3，可以连续规模化制备。本发明还提供一种超细高强度石墨烯纤维的制备方法，该方法通过转速为200?500rpm/min棍轴的连续牵引拉伸，使得氧化石墨稀沿轴向有序排列，辅助以功率为100?300W的红外灯的干燥，部分地恢复了石墨烯的结构，增强了石墨烯片层之间的相互作用力，实现了石墨烯片层紧密堆积。首先制备得到的氧化石墨烯纤维的直径为5?ΙΟμπι，拉伸强度为800?lOOOMPa，断裂伸长率为0.3?10%。经还原后得到的石墨烯纤维的直径为I?4μπι，拉伸强度为1200?2200MPa，断裂伸长率为0.5?2%，导电率高于10000S/m。
[0023]下面结合实施例对本发明作进一步的描述。本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容做出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围。
[0024]需要说明的是，本发明中，用于还原氧化石墨烯的还原剂，包括水合肼、硼氢化钠、氢溴酸、氢碘酸、醋酸、三氟乙酸等，其浓度范围均为本领域的公知常识。
[0025]实施例1:
[0026](I)将Ig氧化石墨烯和10g去离子水混合，于20°C以50KHz的超声处理lh，得到氧化石墨烯分散液。
[0027](2)将(I)所得的氧化石墨烯分散液用循环水栗在0.1Pa的真空条件下，脱气1min，得到氧化石墨稀纺丝液。
[0028](3)取(2)所得的氧化石墨烯纺丝液，以200mL/h的挤出速度通过内径为80μπι的喷丝口，于25°C的乙酸乙酯凝固浴中停留1s变成凝胶纤维，将初生凝胶纤维通过转速为5 OOr pm/m i η棍轴的连续牵引拉伸，同时用功率为1 O W的红外灯干燥，收集得到连续的氧化石墨烯纤维；
[0029](4)将(3)获得的氧化石墨烯纤维在质量分数为20%氢碘酸水溶液中，加热至90°C，充分还原12h，洗涤干燥得到石墨烯纤维。
[0030](5)将(4)获得的石墨烯纤维，在氩气中3000°C处理0.5h，得到超细高强石墨烯纤维。
[0031]经过以上步骤，得到均一稳定的氧化石墨烯纺丝液，氧化石墨烯纺丝液具有良好的切变流动性，在偏光显微镜下可以看到明显的液晶条纹织构。制备的氧化石墨烯纤维拉伸强度为800?lOOOMPa，断裂伸长率为I?3%，同时有良好的柔顺性。还原形成的超细石墨烯纤维的直径为I?4μπι，拉伸强度为1600?2200MPa，断裂伸长率为0.5?2%，导电率大于10000S/mo
[0032]实施例2:
[0033](I)将I