[發(fā)明專利]一種截面形狀為“一”字型的石墨烯薄膜帶的制備方法

無效

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• 申請日: 2010-02-03
• 公開（公告）號: CN101787589A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發(fā)明（設計）人: 王延相;王彥明;莊光山;王成國;謝奔;劉玉蘭
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01D5/00;D01D10/00
• 代理公司: 濟南圣達專利商標事務所有限公司 37221
• 代理人: 王立曉

技術領域

本發(fā)明涉及一種石墨烯薄膜帶的制備，特別涉及到截面形狀為“一”字型聚丙烯腈基石墨 烯薄膜帶的制備方法，屬于功能材料技術領域。

背景技術

石墨烯堪稱是人類已知強度最高的物質，它不僅能開發(fā)出紙片般薄的超輕型飛機材料、 制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門，美國 科學家證實“石墨烯”完全適合用來制造太空電梯纜線。而石墨烯增強的復合材料不僅能做成 可彎曲的導電薄膜材料，應用于國防軍工領域制備抗靜電涂層、雷達吸波材料、以及潛艇飛 機的隱身材料，而且在能源方面由于石墨烯具有獨特二維平面結構，使其具有很大的比表面 積，因而非常適合用作儲氫材料。因此石墨烯材料具有廣泛的應用范圍和極具潛力的應用前 景，正在迅速成為材料科學和凝聚態(tài)物理領域近年來的研究熱點。

隨著人們對石墨烯研究的不斷深入以及制備方法的改進，人們需要大量結構完整的高質 量石墨烯材料。目前，石墨烯材料常用的制備方法主要有機械剝離法、氧化石墨還原法、溶 液法、化學法等。然而基于微機械剝離方法制得的石墨烯，不但產量低，效率也很低。氧化 石墨還原法雖然能夠以相對較低的成本制備出大量的石墨烯，然而石墨烯的電子結構以及晶 體的完整性均受到強氧化劑嚴重的破壞，使其電子性質受到影響，一定程度上限制了其在精 密微電子領域的應用。化學生長法可以制備出大面積連續(xù)且性能優(yōu)異的石墨烯薄膜半導體材 料，然而現階段工藝的不成熟以及較高的成本都限制了其大規(guī)模應用。要實現石墨烯的最終 應用和深入研究，必須首先大規(guī)模制備石墨烯，同時實現對其形貌和組成的控制，如何大量、 低成本制備出高質量的石墨烯材料迄今仍然是一項富有挑戰(zhàn)性的工作。

在理論上來說，在石墨烯片層中，碳原子以較短的共價鍵排列，具有很強的結合力。沿 石墨烯片層方向具有很高的彈性模量，理論上可達1000GPa，而石墨烯片與石墨烯片之間以 范德華力相連接，層間距離較長，約為0.335nm，結合力弱。Lee等人測量了單層石墨烯片的 力學性能(Lee，C.et?al.Science?321，385(2008))，他們的研究結果表明，石墨烯片是目前已知強 度最高的材料。因此推測，同樣以sp²鍵結合的石墨烯納米帶也應該具有十分優(yōu)異的力學性能。 已有專利(美國專利US7071258；US7150840)和文獻(Takashi?K.et?al.Nature?331，331(1988)； Herald，R.et?al.Carbon?48，964(2010)；Donnet?J.B.et?al.Carbon?30，787(1992)表明截面為圓 形聚丙烯腈(PAN)碳纖維的高強度和高模量是基于稠芳環(huán)層面分子沿纖維軸的擇優(yōu)取向，以及 層面間高鍵能的碳網長度。同時發(fā)現碳纖維由高度取向的石墨烯片層組成，并具有明顯的各 向異性，沿纖維軸向強度高、模量高，而橫向性能差，強度很低。基于聚丙烯腈基碳纖維結 構的研究提出了條帶模型(Perret?R.et?al.Journal?ofApplied?Crystallography?3(6)，525(1970)和基 于條帶結構模型提出的二維結構模型(Bennett?S.C.et?al.Carbon?17(1)，25(1979))：條帶模型的 基本單元是sp²雜化的碳，由平均寬度為5～7nm、平均長度為幾百納米的帶狀石墨烯層組成。

迄今為止，國內未見采用壓延工藝使圓形截面的前驅體制成“一”字型石墨烯薄膜帶前 驅體后，再采用有機-無機轉化方法把石墨烯薄膜前驅體經過預氧化、碳化制成了高性能聚丙 烯腈基石墨烯薄膜帶的報道。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種截面形狀為“一”字型的石墨烯薄膜帶的制備方法。

一種截面形狀為“一”字型的石墨烯薄膜帶的制備方法，包括如下步驟：

(1)石墨烯薄膜帶前驅體的制備：將PAN紡絲溶液用干噴濕法紡絲技術進行紡絲，PAN 紡絲溶液細流在壓出噴絲板后先經過一段干燥的空氣層，然后經過三級凝固浴牽伸，再水洗、 沸水牽伸、上油、干燥致密化得截面為圓形的前驅體，然后將此前驅體熱輥壓延，再經二級 飽和蒸汽牽伸、蒸汽熱定型、干燥收絲得到截面形狀為“一”字型的石墨烯薄膜帶前驅體；

(2)將截面形狀為“一”字型的石墨烯薄膜帶前驅體在預氧化爐中預氧化，在中低溫碳化 爐和高溫碳化爐中碳化，制成了截面形狀為“一”字型的石墨烯薄膜帶。