[发明专利]石墨烯纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纤维，以及该石墨烯纤维的制备方法。

背景技术

碳纤维是一种兼具化学惰性和半导体性能的纤维材料，具有重量轻、强度高、弹性模数高等优异性能。高性能的纤维状碳材料目前不仅广泛应用于航天航空、国防军事工业，并且在汽车产业与风力发电叶片、核电、休闲运动产品上也存在广阔应用空间。欧洲专利案EP1696046B1揭露一种利用脉冲电流烧结法制备金属碳纤维复合材料，该复合材料具有极佳的导热性可应用于电子设备或电源模块的散热机构。美国专利案US2013／0084455A1则揭露一种以聚烯烃纤维为前躯体制备碳纤维的方法，此案利用聚烯烃前躯体磺化程度控制，可调整碳化后碳纤维成品的特性与碳纤维形貌。

石墨烯是以sp2混成轨域组成六角形蜂巢排列的二维晶体，厚度0.335nm，仅一个碳原子直径，是目前世上最薄的材料，却拥有杰出的力学性质，机械强度远高于钢铁百倍，比重却仅约钢铁的四分之一；而电学性质部分，电阻较铜与银低，为目前已知材料中于室温下电阻最低的，且电子迁移率高，因此应用于电子元件材料有优秀的表现；其几近透明加上具备良好导电性，也在光电领域上受到关注。美国专利案US2012／0298396A1揭露一种石墨烯纤维制备方法，利用化学气相沉积技术将石墨烯沉积于一线型金属基板上，再将其浸泡于蚀刻液中得到石墨烯纤维。前述所提的专利案为一种由小到大制备石墨烯纤维的方法，但其缺点为沉积速度慢且CVD制程中需利用具一定毒性的物质。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种石墨烯纤维，该石墨烯纤维的直径小于100μm，且长径比大于10，较佳大于500，该石墨烯纤维与一般气相成长碳纤维(Vapor Grown Carbon Fiber，VGCF)，或聚丙烯腈高温碳化的碳纤维最大不同在于，石墨烯纤维包含多个石墨烯片，且所述多个石墨烯片的平面方向皆平行于这些石墨烯纤维的轴向，其中石墨烯片的厚度小于3nm，且各石墨烯片之间以化学键结紧紧相连，因此该石墨烯纤维具有优异的机械性质，拉伸强度大于100MPa，且杨氏模数大于1GPa。

该石墨烯纤维更同时具备有优异的导热与导电性质，导电度为10^-2至10³S／cm，而热传导值大于10W／mK。

本发明的另一目的是提供一种石墨烯纤维的制备方法，该方法包含石墨氧化步骤、分散步骤、纺织步骤、干燥步骤以及热处理步骤。石墨氧化步骤是将石墨材料氧化，形成氧化石墨；分散步骤是将氧化石墨分散于水中，形成氧化石墨水溶液，因氧化石墨松散的结构分解，而形成多个以定轴向排列的石墨烯片。纺织步骤是将氧化石墨水溶液利用纺织的方法注入一第二溶液中，使氧化石墨水溶液与第二溶液接触，而形成预还原的石墨烯纤维。干燥步骤是将预还原的石墨烯纤维与水溶液分离并进行干燥。热处理步骤是于具有热处理温度的保护气氛中，将预还原的石墨烯纤维进行热还原，形成一石墨烯纤维。

本发明所得到的石墨烯纤维，具有良好的强度、导电热性，且制作方法能直接导入传统纺织方法得到石墨烯纤维材料，制程较为简单，同时整体制作的环境可大幅减少化学毒性，提升整体的安全性，并可大幅地降低制作的时间及成本。

附图说明

图1为本发明石墨烯纤维的结构示意图；

图2为本发明石墨烯纤维的制备方法流程图；以及

图3显示本发明以拉曼光谱仪测量各实验示例的结果。

其中，附图标记说明如下：

1    石墨烯纤维

10   石墨烯片

S1   石墨烯纤维的制备方法

S10  石墨氧化步骤

S20  分散步骤

S30  纺织步骤

S40  干燥步骤

S50  热处理步骤

具体实施方式

以下配合图式及元件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

参阅图1，为本发明石墨烯纤维的结构示意图。如图1所示，本发明石墨烯纤维1包含多个氧化石墨烯片10，所述石墨烯片10的厚度小于3nm，且环绕一轴向A相互交联堆叠，其中该石墨烯纤维1的直径D小于100μm，长度H与直径D比(H／D)大于10，且经测定该石墨烯纤维的碳氧元素比大于5。

参阅图2，为本发明石墨烯纤维的制备方法流程图。如图2所示，本发明石墨烯纤维的制备方法S1包含石墨氧化步骤S10、分散步骤S20、纺织步骤S30、干燥步骤S40以及热处理步骤S50。