[發明專利]一種高導電石墨烯纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 201610054970.9
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105544017B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 高超;劉英軍;許震
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12;D01F11/12;D01D5/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

技術領域

本發明涉及一種石墨烯纖維，尤其涉及一種高導電石墨烯纖維及其制備方法。

背景技術

石墨烯(graphene)是由單碳原子層構成的一種新型二維晶體材料，石墨烯即單碳原子層石墨，它具有一系列超乎想象的優越性能。如，最高的力學性能，模量為1.1TPa，強度為180GPa；最高的載流子傳輸速率，高達150000cm²/Vs,是單晶硅的100倍；最高的熱導率5000W/mK,是銅的10多倍；最高的電導率(10⁸S/m)和超高的電流負載密度。從天然石墨出發，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，結合濕法紡絲技術，實現了石墨烯纖維的制備(Nat.Commun.2011，2，571)。石墨烯纖維的制備及其功能化已經成為當前研究的熱點，尤其是石墨烯纖維做為輕質導線具有良好的發展前景。但是，目前所報道的石墨烯纖維的導電性能并不理想，導電率僅為10000S/m，難以滿足實際的應用需求?？梢酝ㄟ^優化紡絲工藝、后續的高溫熱處理、化學摻雜等技術制備出導電性能優異的石墨烯纖維。

發明內容

本發明的目的是克服現有石墨烯纖維制備技術的不足，提供一種高導電石墨烯纖維及其制備方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種高導電石墨烯纖維，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，摻雜劑的質量為石墨烯質量的10～30％；石墨烯纖維的取向度為80～90％。

一種高導電石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟：

(1)將1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烯紡絲液；

(2)將步驟(1)得到的氧化石墨烯紡絲液，以1～100mL/h的擠出速度，通過孔徑為30～300μm的紡絲頭，在10～50℃的凝固浴中停留5～60s左右，收集得到連續的氧化石墨烯纖維；

(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；

(4)將步驟(3)中所得的初級石墨烯纖維置于1000～3000℃的石墨爐中，在氣氛中熱處理1～4h，得到高質量石墨烯纖維。

(5)將步驟(4)中所得到的高質量石墨烯纖維置于摻雜劑蒸汽中處理1～24h，得到高導電的石墨烯纖維。

進一步地，所述步驟(1)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。

進一步地，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。

進一步地，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。

進一步地，所述步驟(4)中所用的氣氛是氫氣、氬氣、氮氣中的一種或多種按照任意配比混合組成。

進一步地，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。

進一步地，所述步驟(1)中，所述氧化石墨烯為徑向尺寸15～35μm的單層氧化石墨烯。

本發明具有以下技術效果：

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；

2、采用濕法紡絲技術制備了氧化石墨烯纖維，操作簡便；

3、通過化學還原和高溫熱處理，恢復了石墨烯的完美結構，所得石墨烯纖維具有良好的導電性能和力學性能。

4.通過化學摻雜處理，石墨烯纖維的導電率有數量級的提升。

附圖說明

圖1為做插層反應的石英管示意圖；

圖2為摻雜前后石墨烯纖維的I-V曲線。

具體實施方式

本發明通過化學摻雜，將石墨烯纖維的導電率提高到1×10⁶S/m以上，比一般的石墨烯纖維的導電率高出一個數量級。整個過程工藝簡單可控，實現了石墨烯纖維導電性能的提升。所得到的石墨烯纖維具有十分優異的力學性能和優異的導電導熱性能。