[發明專利]一種高強度石墨烯有序多孔纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 201210001524.3
• 申請日: 2012-01-05
• 公開（公告）號: CN102586946A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 高超;許震
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: D01F9/08
• 分類號: D01F9/08;D01F11/16;D01D5/04;D01D1/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

技術領域

本發明涉及一種多孔石墨烯纖維，尤其涉及一種高強度石墨烯有序多孔纖維及其制備方法。

背景技術

石墨烯是一種新型的二維納米材料，自發現以來引起了學術界和工業界的研究熱潮。這種材料具有已知材料最高的強度，優異的導電性和導熱性，最高的載流子傳輸速率，大的比表面積等誘人的特性。目前，要實現制備石墨烯宏觀材料，較為通用的方法是以天然石墨為原料制備氧化前驅體氧化石墨烯，再通過化學氧化-還原法來實現石墨烯的大量制備（Tung,?V.?C.,?et?al.?Nature?Nanotechnol.,?2009,?4,?25–29）。由于其表面大量的有機官能團，氧化石墨烯在水中表現出良好的溶解性；同時由于其大的寬厚比?（一般大于1000），氧化石墨烯在水中會表現出液晶行為，即自發形成有序結構。氧化石墨烯液晶的發現為制備高度有序的石墨烯宏觀材料提供了一個簡單有效的方法。然而，利用氧化石墨烯液晶這一特性來制備石墨烯宏觀有序材料仍然是實現石墨烯應用上的一個挑戰。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種高強度石墨烯有序多孔纖維及其制備方法。本發明采用石墨作為原料來石墨烯有序多孔纖維，制得的有序多孔纖維具有低密度、高拉伸強度及高壓縮強度、良好的韌性及導電性能。本發明工藝成本低，操作簡單。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種高強度石墨烯有序多孔纖維的制備方法，包括以下步驟：

（1）將1重量份的石墨原料、1~100重量份硫酸、0.5~5重量份過硫酸鉀和0.5~5重量份五氧化二磷混合，在25~100℃下攪拌反應1~10小時，冷卻到室溫后，用去離子水稀釋，以濾膜抽濾，用去離子水洗滌至中性，自然干燥10~50小時得到插層石墨；

（2）將1重量份步驟1中所得的插層石墨、1~100重量份硫酸和0.5~10重量份高錳酸鉀混合，在-10~50℃下攪拌反應0.1~10小時后，加入10~2000重量份的去離子水和0.1~10重量份雙氧水攪拌0.1~10小時，以濾膜過濾，用去離子水反復洗滌至中性，自然干燥得到氧化石墨；

（3）將1重量份步驟2中所得的氧化石墨烯產物溶于5~100重量份的水中，以0~50KHz的超聲處理0.1~10小時，得到氧化石墨烯紡絲液溶膠；

（4）取步驟3所得的氧化石墨烯紡絲液溶膠，以1~100?mL/h的擠出速度，通過直徑為50~500μm的紡絲毛細管，將溶膠擠入液氮中停留1~50s凝結，再進一步冷凍干燥或者臨界冷凍干燥2-40h，最后得到有序多孔氧化石墨烯纖維；

（5）將步驟4中所得的氧化石墨烯纖維置于還原劑中還原0.1~100h，洗滌干燥，得到高強度石墨烯有序多孔纖維。

本發明具有以下技術效果：

1、采用石墨為原料制備石墨烯纖維，原料來源廣泛、易得；

2、簡單易行地制備了高溶解性的氧化石墨烯前驅體和穩定的氧化石墨烯液晶溶膠；

3、采用紡絲-冷凍干燥的方法制備了氧化石墨烯有序多孔纖維；

4、制得的氧化石墨烯有序多孔纖維有著很低的密度、高拉伸強度及高壓縮強度、很好韌性；

5、制得的石墨烯有序多孔纖維有著很低的密度、高拉伸強度及高壓縮強度、很好韌性、同時有著優異的導電性。

具體實施方式

本發明高強度石墨烯有序多孔纖維的制備方法，包括以下步驟：

1、將1重量份的石墨原料、1~100重量份硫酸、0.5~5重量份過硫酸鉀和0.5~5重量份五氧化二磷混合，在25~100℃下攪拌反應1~10小時，冷卻到室溫后，用去離子水稀釋，以濾膜抽濾，用去離子水洗滌至中性，自然干燥10~50小時得到插層石墨。

石墨為天然石墨或熱解石墨，硫酸為質量濃度大于80%的硫酸。

2、將1重量份步驟1中所得的插層石墨、1~100重量份硫酸和0.5~10重量份高錳酸鉀混合，在-10~50℃下攪拌反應0.1~10小時后，加入10~2000重量份的去離子水和0.1~10重量份雙氧水攪拌0.1~10小時，以濾膜過濾，用去離子水反復洗滌至中性，自然干燥得到氧化石墨。

硫酸為質量濃度大于80%的硫酸。

3、將1重量份步驟2中所得的氧化石墨烯產物溶于5~100重量份的水中，以0~50KHz的超聲處理0.1~10小時，得到氧化石墨烯紡絲液溶膠；