[发明专利]一种高性能石墨烯纤维的制备方法及石墨烯纤维

说明书

本发明公开了一种高性能石墨烯纤维的制备方法及石墨烯纤维。本发明所述的制备方法包括：（1）纺丝液的制备：制备并配制浓度为5‑15g/L氧化石墨烯溶液，调节pH至5‑12，得到纺丝液；（2）氧化石墨烯纤维制备：将纺丝液通过0.2‑1mm的喷丝口，以0.1‑1mL/min速度注入的凝固浴中，干燥得到氧化石墨烯纤维；（3）低温拉伸预还原：将氧化石墨烯纤维置于气氛炉中，对纤维施加拉力，进行加热预还原，预还原的温度为150‑500℃，得到预还原氧化石墨烯纤维；（4）高温还原：将预还原氧化石墨烯纤维置于气氛炉中，高温还原的温度为600‑1800℃，通入含碳源的气体，进行高温热还原，得到石墨烯纤维。本发明减少了试剂的使用，得到了缺陷少、强度高、导电性能好的高性能石墨烯纤维。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纤维制备材料，特别涉及一种高性能石墨烯纤维的制备方法及石墨烯纤维。

背景技术

石墨烯是一种新兴的碳材料，它由单层的碳原子按照sp²排列组成，具有极高的强度、模量、电导率和热导率。由于其优异的性能，不仅石墨烯单体可被应用于导电、储能、传感等诸多领域，石墨烯的宏观组装体，例如石墨烯膜，石墨烯纤维，也能广泛地应用于日常生活、电子通讯、工业生产等领域。

目前最主要的将石墨烯组装成宏观的一维的纤维材料的生产方法是：利用氧化石墨烯的液晶行为制备氧化石墨烯纤维，然后将其还原为石墨烯纤维；其中使用的还原剂大多为氢碘酸、水合肼、硼氢化钠等化学试剂。该方法存在两个问题：首先是试剂昂贵，对人体和环境有毒有害，不利于大规模制备石墨烯纤维；其次是如Kudin等人报道的(DOI:10.1021/nl071822y)，氧化石墨烯片存在缺陷。并且纤维中石墨烯片的取向度低，致密度低，而在此后的化学还原过程中并不能有效改善此问题，因此无法得到高性能的石墨烯纤维。

发明内容

发明目的：针对现有高性能石墨烯制备所面临的问题，本发明采用拉伸预还原结合高温热修复的方法，制备出高性能氧化石墨烯纤维。制备过程中不涉及有毒有害还原剂，创新性地利用氧化石墨烯在低温外应力作用下自然取向的特性，并在含碳气氛中进行结构修复，修复氧化带来的缺陷；本发明获得的石墨烯纤维不仅具有取向度高、致密度高、以及还原程度高等特点，其强度和电导率也显著提高。

技术方案：本发明所述的高性能石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)纺丝液的制备：制备并配制浓度为5-15g/L氧化石墨烯溶液，调节pH至5-12，得到纺丝液；

(2)氧化石墨烯纤维制备：将纺丝液通过0.2-1mm的喷丝口，以0.1-1mL/min速度注入的凝固浴中，干燥得到氧化石墨烯纤维；

(3)低温拉伸预还原：将氧化石墨烯纤维置于气氛炉中，对纤维施加拉力，进行加热预还原，预还原的温度为150-500℃，得到预还原氧化石墨烯纤维；

(4)高温还原：将预还原氧化石墨烯纤维置于气氛炉中，高温还原的温度为600-1800℃，通入含碳源的气体，进行高温热还原，得到石墨烯纤维。

优选地，步骤(3)中，施加的拉力根据纤维的直径截面积调节，施加的拉力为0.1-2g/100μm²。

优选地，步骤(3)中，升温速率为0.1-1℃/min，预还原时间为1-12h，预还原的气氛为氮气、氩气和氦气中的一种或多种。

优选地，步骤(4)中，升温速率为1-10℃/min，还原时间为1-12h。

优选地，步骤(4)中，高温还原通入的含碳源的气体为甲烷、乙烯、乙炔或乙醇中的一种或多种，所述含碳源的气体还可以与氢气、氩气或氮气中的一种或多种混合，气体流速为1-20mL/min。

优选地，步骤(4)中，含碳源气体为体积比为1:1的甲烷与氢气、乙醇或乙炔的混合气。