[發(fā)明專利]一種石墨烯纖維無紡布的增強(qiáng)方法及高性能石墨烯無紡布的連續(xù)制備方法

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• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112680957A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許震;高超;劉森坪
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74;D04H3/002;D06M101/40
• 代理公司: 杭州華宸聯(lián)名知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33352
• 代理人: 黃歡娣

本發(fā)明公開了一種石墨烯纖維無紡布的增強(qiáng)方法，所述增強(qiáng)方法為：將石墨烯纖維無紡布或者氧化石墨烯纖維無紡布浸入到增強(qiáng)介質(zhì)中，經(jīng)過適當(dāng)浸漬之后取出干燥，然后將該復(fù)合無紡布依次進(jìn)行碳化和石墨化處理，最終得到增強(qiáng)的無紡布。本發(fā)明還公開了高性能石墨烯無紡布的連續(xù)制備方法，該方法結(jié)合吹噴的方法實(shí)現(xiàn)了連續(xù)制備無紡布和連續(xù)增強(qiáng)。本發(fā)明公開的方法，過程簡單、高效、環(huán)保，是一種制備碳碳復(fù)合材料的新方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料材料領(lǐng)域，具體地涉及一種石墨烯纖維無紡布的增強(qiáng)方法及高性能石墨烯無紡布的連續(xù)制備方法。

技術(shù)背景

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)A.K.Geim教授課題組運(yùn)用機(jī)械剝離法成功制備石墨烯，并將其懸掛于微型金架上，推翻了完美二維晶體結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度下穩(wěn)定存在的這一論斷。換言之，自由態(tài)的石墨烯在室溫下可以穩(wěn)定存在；而在相同條件下，其他任何己知材料都會被氧化或分解，甚至在相當(dāng)于其單層厚度10倍時(shí)就變得不穩(wěn)定。從結(jié)構(gòu)上說，石墨烯(Graphene)是緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的sp2雜化單層碳原子晶體，層內(nèi)碳原子以共價(jià)鍵形式連接，具有超高的強(qiáng)度(120GPa)，因此以石墨烯作為源頭材料構(gòu)建特定結(jié)構(gòu)的碳基材料，從而實(shí)現(xiàn)碳質(zhì)功能材料納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和可控以及宏量地制備已經(jīng)逐漸引起全球科學(xué)家的關(guān)注。

氧化石墨無紡布具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高孔隙率以及多功能化等特性，自從一次報(bào)道開始就引起了廣泛的關(guān)注。石墨烯纖維無紡布主要由氣流輔助紡絲直接噴紡或者由短纖抽濾而成，由纖維是在凝固過程中逐層沉積在基底之上，以上兩種方法制備得到的無紡布垂直平面方向存在嚴(yán)重脫離現(xiàn)象，影響了石墨烯纖維無紡布的綜合性能，尤其是垂直方向?qū)щ娦浴?/p>

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種石墨烯纖維無紡布的增強(qiáng)方法，該方法通過加入可碳化前驅(qū)體增強(qiáng)纖維之間的結(jié)合，尤其是上下層纖維之間的結(jié)合，使纖維層間從分離變?yōu)檫B接，有效構(gòu)建應(yīng)力、聲子以及電子傳輸網(wǎng)絡(luò)，從而提高纖維的綜合性能，尤其是無紡布的力學(xué)、導(dǎo)熱以及導(dǎo)電性能，使得石墨烯纖維無紡布可以應(yīng)用在熱管理、吸附、過濾以及電池電極等領(lǐng)域。

上述該方法至少包括：

(1)將碳氧比大于1的石墨烯纖維無紡布浸入到增強(qiáng)介質(zhì)中，以使得所述無紡布中的石墨烯纖維表面負(fù)載所述增強(qiáng)介質(zhì)；所述增強(qiáng)解質(zhì)為可碳化前驅(qū)體的熔體，或?yàn)榭商蓟膀?qū)體的分散液；

(2)將負(fù)載有增強(qiáng)介質(zhì)的石墨烯纖維無紡布轉(zhuǎn)移到高溫爐中，升溫至增強(qiáng)介質(zhì)的碳化溫度進(jìn)行碳化處理；

(3)在碳化處理后，再升溫至石墨化溫度進(jìn)行石墨化處理，從而得到增強(qiáng)的石墨烯纖維無紡布。

本領(lǐng)域中，石墨烯通常作為一個統(tǒng)稱，指的是石墨烯類材料，包括氧化石墨烯、還原氧化石墨烯以及還原得較為徹底的石墨烯，在上述步驟1中，碳氧比大于1的石墨烯纖維無紡布可以為氧化石墨烯纖維無紡布、經(jīng)過化學(xué)還原的氧化石墨烯纖維無紡布、經(jīng)過1000℃高溫?zé)徇€原的氧化石墨烯纖維無紡布或者3000℃高溫石墨化的石墨烯纖維無紡布。這些無紡布通常可以由氣流輔助紡絲或者抽濾法獲得。

本發(fā)明還涉及一種高強(qiáng)石墨烯膜的連續(xù)制備方法，該方法通過適量聚丙烯酸鈉溶液的加入有效改變氧化石墨烯水溶液的粘彈性，使其具有類似于聚合的粘彈性，因此能夠表現(xiàn)出超高拉伸性能，從而使其能夠滿足實(shí)現(xiàn)氣流輔助紡絲的條件，使得氧化石墨烯溶液的紡絲速度從5m/分鐘提升至500m/分鐘，再利用浸有凝固浴的基底對纖維進(jìn)行收集，可以快速制備氧化石墨烯/聚丙烯酸鈉無紡布。再進(jìn)一步基于上述增強(qiáng)方法，通過導(dǎo)輥引入到增強(qiáng)介質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)連續(xù)負(fù)載，負(fù)載后，通過收集輥收集，通過兩步熱處理，得到高強(qiáng)石墨烯膜。具體的，該方法包括如下步驟：

(1)以氧化石墨烯/聚丙烯酸鈉的混合溶液為前驅(qū)體進(jìn)行氣流輔助紡絲，利用可收卷的基底收集氧化石墨烯/聚丙烯酸鈉凝膠纖維，干燥后得到從基底分離的氧化石墨烯/聚丙烯酸鈉無紡布；然后將分離得到的氧化石墨烯/聚丙烯酸鈉無紡布引入到增強(qiáng)介質(zhì)中，以負(fù)載增強(qiáng)介質(zhì)；然后經(jīng)收集輥收集。