[發明專利]一種石墨烯纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201410016557.4
• 申請日: 2014-01-14
• 公開（公告）號: CN103966699A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 李景燁;李吉豪;張伯武;謝思遠;李林繁;張闊;賈娜
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海應用物理研究所
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12;D01F11/16
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 鐘華;徐穎

技術領域

本發明涉及一種石墨烯纖維的制備方法。

背景技術

石墨烯作為所有碳材料的最基本結構單元，具有真正的單原子層厚度和嚴格的二維結構，具有很高的機械強度、彈性、導熱性、導電性以及量子霍爾效應等。自從2010年英國科學家安德列杰姆和克斯特亞諾沃塞諾發現石墨烯而獲得諾貝爾獎以來，石墨烯研究達到前所未有的研究高潮，越來越多的研究發現，其在能量儲存、電學器件、催化及生物醫學的特殊領域具有巨大的應用前景。

從實際應用角度考慮，將納米石墨烯材料轉變為宏觀結構材料中無疑是非常有價值的研究方向。已經有大量的研究針對宏觀石墨烯結構材料的研究和制備，包括宏觀三維石墨烯基塊體凝膠材料，二維石墨烯薄膜材料。一維的纖維結構也被很多人預言過其可行性，但這類嘗試很少成功。目前，國內外只有少數課題組分別通過不同的方法制備出了石墨烯纖維。浙大高超等人[發明專利，申請公布號CN102586946A]以及中國科技大學俞書宏等人[發明專利，申請公布號CN102817111A]選用不同沉淀劑通過濕紡-還原兩步法得到了石墨烯纖維。北京理工大學曲良體等人[發明專利，申請公布號CN102583334A]通過在玻璃管中高溫水熱反應得到了石墨烯纖維。因此一種簡便的一步法以及低溫、溫和地制備石墨烯纖維的方法有待開發，以便更好的大規模應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于為了克服了現有技術中石墨烯纖維的制備方法溫度高、工藝復雜的缺陷，提供了一種石墨烯纖維的制備方法。本發明的制備方法操作簡單，條件溫和，原材料成本低；利用本發明所述的方法制備得到的石墨烯纖維，結構均勻，機械性能優異，易功能化。

本發明是通過以下技術方案解決上述技術問題的：

本發明提供了一種石墨烯纖維的制備方法，其包括下述步驟：

（1）將氧化石墨烯溶液與水溶性還原劑的混合物加入到管狀反應器中；所述的水溶性還原劑為抗壞血酸、抗壞血酸鈉、檸檬酸鈉、HI、HBr、NaHSO₃、Na₂S、乙二胺、對苯二胺和對苯二酚中的一種或多種；

（2）加熱步驟（1）的管狀反應器，氧化石墨烯還原組裝為含水石墨烯凝膠纖維；所述的加熱的溫度為60～95℃；

（3）將步驟（2）得到的含水石墨烯凝膠纖維干燥，即得石墨烯纖維。

其中，步驟（1）中，混合物加入到管狀反應器中后，管狀反應器可以封口，也可以不封口，較佳地為不封口。

其中，所述的氧化石墨烯溶液可為本領域常規方法制得的氧化石墨烯溶液，較佳地為采用氧化剝離石墨法（即Hummers法）制得的氧化石墨烯溶液，更佳地為改進的氧化剝離石墨法制得的氧化石墨烯溶液，最佳地通過下述步驟制得：①預氧化：將石墨、濃硫酸和硝酸倒入水中，過濾，烘干；重復上述預氧化過程2～3次，得到預氧化石墨；②熱膨脹：將步驟①的預氧化石墨在400～900℃條件下熱膨脹10～30s，得到熱膨脹氧化石墨；③將步驟②的熱膨脹氧化石墨與濃硫酸、K₂S₂O₈和五氧化二磷的混合物在80～90℃條件下加熱，加入水過濾洗滌，干燥，得到預氧化熱膨脹石墨；④將步驟③的預氧化熱膨脹石墨與濃硫酸在0～5℃條件下混合，加入高錳酸鉀，反應，再加入雙氧水，靜置，離心洗滌，加入水攪拌即得氧化石墨烯溶液。

其中，所述的混合物中，氧化石墨烯的用量較佳地為1～10mg/mL混合物。

其中，所述的管狀反應器采用一般的細長狀反應器即可，所述的管狀反應器的直徑較佳地為2.5～18mm，長度較佳地為0.01～1m；所述的管狀反應器較佳地為聚丙烯塑料管、聚氨酯塑料管或硅膠塑料管。

其中，所述的氧化石墨烯與所述的水溶性還原劑的質量比較佳地為（1:0.5）～（1:800），更佳地為（1:0.5）～（1:400）。

步驟（2）中，所述的加熱的時間較佳地為0.5～100小時。

步驟（3）中，所述的干燥的溫度較佳地為10～100℃，所述的干燥的時間較佳地為2～100小時。

所述的石墨烯纖維的制備方法中，優選進一步對步驟（3）得到的石墨烯纖維進行后處理。所述的后處理包括下述步驟：將步驟（3）得到的石墨烯纖維在惰性氣氛中真空熱處理。所述的惰性氣氛較佳地為氮氣、氬氣和氦氣中的一種或多種，所述的熱處理的溫度較佳地為300～800℃，所述的熱處理的時間較佳地為2～3小時。所述的在惰性氣氛中真空熱處理是指在惰性氣氛下，再抽真空進行熱處理。經過熱處理后，石墨烯纖維的強度得到提升。