[发明专利]一种截面形状为“一”字型的石墨烯薄膜带的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯薄膜带的制备，特别涉及到截面形状为“一”字型聚丙烯腈基石墨 烯薄膜带的制备方法，属于功能材料技术领域。

背景技术

石墨烯堪称是人类已知强度最高的物质，它不仅能开发出纸片般薄的超轻型飞机材料、 制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门，美国 科学家证实“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线。而石墨烯增强的复合材料不仅能做成 可弯曲的导电薄膜材料，应用于国防军工领域制备抗静电涂层、雷达吸波材料、以及潜艇飞 机的隐身材料，而且在能源方面由于石墨烯具有独特二维平面结构，使其具有很大的比表面 积，因而非常适合用作储氢材料。因此石墨烯材料具有广泛的应用范围和极具潜力的应用前 景，正在迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来的研究热点。

随着人们对石墨烯研究的不断深入以及制备方法的改进，人们需要大量结构完整的高质 量石墨烯材料。目前，石墨烯材料常用的制备方法主要有机械剥离法、氧化石墨还原法、溶 液法、化学法等。然而基于微机械剥离方法制得的石墨烯，不但产量低，效率也很低。氧化 石墨还原法虽然能够以相对较低的成本制备出大量的石墨烯，然而石墨烯的电子结构以及晶 体的完整性均受到强氧化剂严重的破坏，使其电子性质受到影响，一定程度上限制了其在精 密微电子领域的应用。化学生长法可以制备出大面积连续且性能优异的石墨烯薄膜半导体材 料，然而现阶段工艺的不成熟以及较高的成本都限制了其大规模应用。要实现石墨烯的最终 应用和深入研究，必须首先大规模制备石墨烯，同时实现对其形貌和组成的控制，如何大量、 低成本制备出高质量的石墨烯材料迄今仍然是一项富有挑战性的工作。

在理论上来说，在石墨烯片层中，碳原子以较短的共价键排列，具有很强的结合力。沿 石墨烯片层方向具有很高的弹性模量，理论上可达1000GPa，而石墨烯片与石墨烯片之间以 范德华力相连接，层间距离较长，约为0.335nm，结合力弱。Lee等人测量了单层石墨烯片的 力学性能(Lee，C.et al.Science 321，385(2008))，他们的研究结果表明，石墨烯片是目前已知强 度最高的材料。因此推测，同样以sp²键结合的石墨烯纳米带也应该具有十分优异的力学性能。 已有专利(美国专利US7071258；US7150840)和文献(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)表明截面为圆 形聚丙烯腈(PAN)碳纤维的高强度和高模量是基于稠芳环层面分子沿纤维轴的择优取向，以及 层面间高键能的碳网长度。同时发现碳纤维由高度取向的石墨烯片层组成，并具有明显的各 向异性，沿纤维轴向强度高、模量高，而横向性能差，强度很低。基于聚丙烯腈基碳纤维结 构的研究提出了条带模型(Perret R.et al.Journal ofApplied Crystallography 3(6)，525(1970)和基 于条带结构模型提出的二维结构模型(Bennett S.C.et al.Carbon 17(1)，25(1979))：条带模型的 基本单元是sp²杂化的碳，由平均宽度为5～7nm、平均长度为几百纳米的带状石墨烯层组成。

迄今为止，国内未见采用压延工艺使圆形截面的前驱体制成“一”字型石墨烯薄膜带前 驱体后，再采用有机-无机转化方法把石墨烯薄膜前驱体经过预氧化、碳化制成了高性能聚丙 烯腈基石墨烯薄膜带的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种截面形状为“一”字型的石墨烯薄膜带的制备方法。

一种截面形状为“一”字型的石墨烯薄膜带的制备方法，包括如下步骤：

(1)石墨烯薄膜带前驱体的制备：将PAN纺丝溶液用干喷湿法纺丝技术进行纺丝，PAN 纺丝溶液细流在压出喷丝板后先经过一段干燥的空气层，然后经过三级凝固浴牵伸，再水洗、 沸水牵伸、上油、干燥致密化得截面为圆形的前驱体，然后将此前驱体热辊压延，再经二级 饱和蒸汽牵伸、蒸汽热定型、干燥收丝得到截面形状为“一”字型的石墨烯薄膜带前驱体；

(2)将截面形状为“一”字型的石墨烯薄膜带前驱体在预氧化炉中预氧化，在中低温碳化 炉和高温碳化炉中碳化，制成了截面形状为“一”字型的石墨烯薄膜带。