[发明专利]一种超级可拉伸的高导电的石墨烯纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯纤维的制备方法，尤其涉及一种超级可拉伸的高导电的石墨烯 纤维及其制备方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学安德烈.吉姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授采用微机械 剥离法首次分离出二维石墨烯晶体，由此拉开了全世界研究石墨烯而为材料的热潮，两人 也因为在二维石墨烯材料上的开创性实验获得2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯材料具有 优异的力学性能，理论计算石墨烯的拉伸强度可达到180GPa，在室温下具有超高的电子迁 移率，石墨烯还具备超高热导率，实验值达到5000W/mK，可以作为理想热界面材料。石墨烯 具有共轭结构，表现出丰富的化学性质，可以通过不同的化学反应来进行表面修饰，得到一 系列化学衍生物。高超课题组首次以氧化石墨烯液晶为基础，通过湿纺组装方法制备出结 构有序的石墨烯纤维，但是断裂伸长率仅为2％-4％，易脆，限制了工业上的应用，所以如何 制备断裂伸长率高的石墨烯纤维，成为当今科学技术的一大挑战。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种超级可拉伸的高导电的石墨烯纤 维及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种超级可拉伸的高导电的石墨烯纤 维，所述纤维为由石墨烯纳米片组成的双阿基米德螺旋结构，片层间距为0.336nm，纤维的 碳氧比为57.87-96，XRD衍射峰位置为26°-26.5°，断裂伸长率为30％-220％。

一种超级可拉伸的高导电的石墨烯纤维的制备方法，它的步骤如下：

(1)制备厚度为0.5～50μm的氧化石墨烯膜；

(2)以0.1‐1℃/min的速率升温到500‐800℃，保温0.5‐2h；

(3)以1‐3℃/min的速率升温到1000‐1300℃，保温0.5‐3h；

(4)以5‐8℃/min的速率升温到2000‐3000℃，保温0.5‐4h。

(5)将步骤3热处理后的石墨烯膜裁剪成石墨烯条，将石墨烯条一端固定，另一端 与转速为250-500转/min的转子相连，沿径向卷绕1-5min后，得到超级可拉伸的高导电的石 墨烯纤维。

进一步地，所述步骤(1)中的氧化石墨烯膜将氧化石墨烯的水溶液通过真空抽滤 法，旋涂法，喷涂法或者铺膜等方法中的一种制备得到。

进一步地，所述氧化石墨烯通过天然石墨化学氧化剥离法获得。

本发明与现有技术相比具有的有益效果在于：

1.工艺简单，后处理易操作，避免传统工艺中凝固浴等有机溶剂的使用，绿色环 保。

2.石墨烯纤维的长度和直径可控，易于制备。

3.克服了传统石墨烯纤维可拉伸性差的缺点，可较大范围内拉伸，具有应用的前 景。

4.克服传统石墨烯纤维难弯折的特点，可以编织成不同形状的中国结，如十字结、 平结等。

附图说明

图1纤维的SEM图；

图2为沿径向卷绕的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种超级可拉伸的高导电的石墨烯纤维，所述纤维为由石墨烯 片层组成的双阿基米德螺旋结构(结构可参考文献BiscrollingNanotubeSheets andFunctionalGuestsintoYarns)，片层间距为0.336nm，纤维的碳氧比为57.87，XRD衍 射峰位置为26.5°。

本发明一种超级可拉伸的高导电的石墨烯纤维的制备方法，步骤如下：

(1)制备厚度为0.5～50μm的氧化石墨烯膜；

(2)把步骤1制备的厚度为0.5～50μm的氧化石墨烯膜按照表1～表3所示的方式进 行热处理，得到石墨烯膜；氧化石墨烯在高温处理下，碳氧比从10.19提高到57.87(通过X射 线光电子谱测试)，表明高温下脱去了大多数的含氧官能团，共轭结构得到很好的恢复。由 于氧化石墨烯中大量含氧官能团的存在，氧化石墨烯的X射线衍射峰在10.86°，根据布拉格 方程得出对应的层间距为0.83nm。但是3000°高温处理后的石墨烯层间距为0.336nm，在 26.5°处有一个尖锐的衍射峰，层间距和天然石墨相同，表明高温处理后石墨烯具有完美的 晶型结构，这种共轭π结构的完美恢复使得石墨烯纤维具有优异的导电性。