一種高導(dǎo)電石墨烯纖維及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨烯纖維，尤其涉及一種高導(dǎo)電石墨烯纖維及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨稀(graphene)是由單碳原子層構(gòu)成的一種新型二維晶體材料，石墨稀即單碳原子層石墨，它具有一系列超乎想象的優(yōu)越性能。如，最高的力學(xué)性能，模量為1.lTPa，強(qiáng)度為180GPa;最高的載流子傳輸速率，高達(dá)150000cm2/Vs，是單晶硅的100倍;最高的熱導(dǎo)率5000W/mK，是銅的10多倍;最高的電導(dǎo)率(108S/m)和超高的電流負(fù)載密度。從天然石墨出發(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(shí)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)，尤其是石墨烯纖維做為輕質(zhì)導(dǎo)線具有良好的發(fā)展前景。但是，目前所報(bào)道的石墨烯纖維的導(dǎo)電性能并不理想，導(dǎo)電率僅為10000S/m，難以滿足實(shí)際的應(yīng)用需求?？梢酝ㄟ^優(yōu)化紡絲工藝、后續(xù)的高溫?zé)崽幚?、化學(xué)摻雜等技術(shù)制備出導(dǎo)電性能優(yōu)異的石墨烯纖維。

【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，提供一種高導(dǎo)電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(shí)現(xiàn)的:一種高導(dǎo)電石墨烯纖維，該纖維由石墨烯沿著軸向有序排列而成，石墨烯層間距約0.3?0.4nm，石墨烯片層之間有溴、碘、溴化碘、氯化碘、鉀、鈣、氯化鐵、氯化鉬、氯化鋁或氯化銅等摻雜劑，摻雜劑的質(zhì)量為石墨烯質(zhì)量的10?30% ;石墨烯纖維的取向度為80?90%。
[0005]—種高導(dǎo)電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稀紡絲液；
[0007](2)將步驟(I)得到的氧化石墨烯紡絲液，以I?100mL/h的擠出速度，通過孔徑為30?300μηι的紡絲頭，在10?50°C的凝固浴中停留5?60s左右，收集得到連續(xù)的氧化石墨稀纖維；
[0008](3)將步驟(2)中所得的氧化石墨烯纖維置于還原劑中還原，洗滌干燥，得到初級石墨烯纖維；
[0009](4)將步驟(3)中所得的初級石墨烯纖維置于1000?3000°C的石墨爐中，在氣氛中熱處理I?4h，得到高質(zhì)量石墨稀纖維。
[0010](5)將步驟(4)中所得到的高質(zhì)量石墨烯纖維置于摻雜劑蒸汽中處理I?24h，得到高導(dǎo)電的石墨烯纖維。
[0011]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中的溶劑主要由二甲亞砜、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(2)中的凝固液主要由甲醇、乙醇、乙酸乙酯、正丁醇、乙二醇、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(3)中的還原劑主要由水合肼、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(4)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(5)中摻雜劑蒸汽為溴蒸汽、碘蒸氣、溴化碘蒸汽、氯化碘蒸汽、鉀蒸汽、鈣蒸汽、氯化鐵蒸汽、氯化鉬蒸汽、氯化鋁蒸汽、氯化銅蒸汽等金屬氯化物蒸汽。
[0016]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中，所述氧化石墨稀為徑向尺寸15?35μηι的單層氧化石墨稀。
[0017]本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0018]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；
[0019]2、采用濕法紡絲技術(shù)制備了氧化石墨烯纖維，操作簡便；
[0020]3、通過化學(xué)還原和高溫?zé)崽幚?，恢?fù)了石墨烯的完美結(jié)構(gòu)，所得石墨烯纖維具有良好的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能。
[0021]4.通過化學(xué)摻雜處理，石墨烯纖維的導(dǎo)電率有數(shù)量級的提升。
【附圖說明】
[0022]圖1為做插層反應(yīng)的石英管示意圖；
[0023]圖2為摻雜前后石墨烯纖維的1-V曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明通過化學(xué)摻雜，將石墨烯纖維的導(dǎo)電率提高到IX106S/m以上，比一般的石墨烯纖維的導(dǎo)電率高出一個數(shù)量級。整個過程工藝簡單可控，實(shí)現(xiàn)了石墨烯纖維導(dǎo)電性能的提升。所得到的石墨烯纖維具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能和優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。
[0025]需要說明的是，本發(fā)明中，插層蒸汽處理方式具體為:將插層劑和高質(zhì)量石墨烯纖維分別置于雙頭石英容器中，然后對石英容器進(jìn)行加熱、抽真空處理，使得插層劑受熱形成蒸汽，通過蒸汽形式實(shí)現(xiàn)插層;所述雙頭石英容器是包括兩個球狀空腔的石英管。
[0026]此外，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。
[0027]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。本實(shí)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。
[0028]實(shí)施例1:
[0029](I)將Ig氧化石墨烯和50g N，N-二甲基乙酰胺混合，于25°C以70KHz的超聲處理Ih，得到氧化石墨稀紡絲液。
[0030](2)取步驟(I)所得的氧化石墨烯紡絲液，以10mL/h的擠出速度通過內(nèi)徑為200μπι的紡絲頭，于25°C的乙酸乙酯凝固浴中充分凝固，再依次經(jīng)過收集和干燥處理，得到氧化石墨烯纖維。
[0031](3)將步驟(2)獲得的氧化石墨烯纖維置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%氫碘酸水溶液中，于90°C下還原24h，洗滌干燥得到初級石墨烯纖維。
[0032](4)將步驟(3)獲得的初級石墨烯纖維，在氬氣氣氛中，于1000°C下處理2h，得到高質(zhì)量石墨烯纖維。
[0033](5)將步驟(4)得到的高質(zhì)量石墨烯纖維置于石英管中，在溴蒸汽中處理12h，得到溴摻雜的高導(dǎo)電石墨烯纖維。
[0034]經(jīng)過以上步驟，得到均一穩(wěn)定的氧化石墨烯紡絲液，在偏光顯微鏡下可以看到液晶條紋織構(gòu)。制備得到的溴摻雜的高導(dǎo)電石墨烯纖維的直徑為10?150μπι，斷裂伸長率為I?10%，拉伸強(qiáng)度為300?600MPa，導(dǎo)電率大于1000000S/m。
[0035]實(shí)施例2:
[0036](I)將Ig氧化石墨烯和10g 二甲亞砜混合，于20°C以40KHz的超聲處理lh，得到氧化石墨稀紡絲液。
[0037](2)取步驟(I)所得的氧化石墨稀紡絲液，以lmL/h的擠出速度通過內(nèi)徑為80μηι的紡絲頭，于25°C的正丁醇和乙二醇按照體積比1:1組成的凝固浴中充分凝固，得到氧化石墨烯纖維。
[0038](3)將步驟(2)獲得的氧化石墨烯纖維置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水合肼中，于90°C下還原12h，洗滌干燥得到初級石墨烯纖維。
[0039](4)將步驟(3)獲得的初級石墨烯纖維，在氬氣氣氛中，于2000°C下處理1.5h，得到高質(zhì)量石墨烯纖維。
[0040](5)將步驟(4)得到的高質(zhì)量石墨烯纖維置于石英管中，在氯化鐵蒸汽中處理24h，得到氯化鐵摻雜的高導(dǎo)電石墨烯纖維。
[0041]經(jīng)過以上步驟，得到均一穩(wěn)定的氧化石墨烯紡絲液，在偏光顯微鏡下可以看