一種表面多孔高比表面積的石墨烯纖維及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種表面多孔高比表面積石墨烯纖維及其制備方法。該方法的步驟包括：將氧化石墨烯凝膠溶液通過直徑為1~500μm的紡絲頭擠出進入凝固液中，在凝固液中停留1~60min凝固成纖維，洗滌干燥后得到表面多孔高比表面積的氧化石墨烯纖維，通過調整紡絲頭的內表面粗糙度Ra值范圍為0.1~1.0,控制石墨烯纖維的比表面；將所得氧化石墨烯纖維經(jīng)過化學或物理還原后洗滌干燥得到表面多孔高比表面積的石墨烯纖維。所得石墨烯纖維導電性能優(yōu)異，可作質輕導線，具有顯著的力學性能和韌性,適合制作儲能材料。
【專利說明】一種表面多孔高比表面積的石墨烯纖維及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯纖維及其制備方法，具體涉及一種表面多孔高比表面積的石墨烯纖維及其制備方法。
[0002]

【背景技術】
[0003]石墨烯作為一種新型的碳納米材料，自2004年起獲得了廣泛的關注和研究。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，這種材料通過不同的方法制備可以獲得高強度、大導熱系數(shù)、高導電性能，大比表面積等優(yōu)異性能。這些優(yōu)異的性能也決定了石墨烯在能量存儲、太陽能、電學器件、催化、生物醫(yī)學等領域有著廣闊而重要的應用前景。在石墨烯宏觀材料的制備方面，二維薄膜材料及三維塊狀凝膠材料報道較多，一維多孔結構纖維的石墨烯只有少數(shù)課題組成功制備。浙大高超等人[發(fā)明專利，申請公布號CN102586946A]通過將氧化石墨烯注入到液氮中獲得多孔石墨烯纖維。但是，這種多孔石墨烯纖維仍然存在機械強度低15?20MPa，電導率較差10 S/cm等缺陷，歸其原因在于其表面光滑內部多孔的結構決定。因此，如何制備具有高強度、高電導率多孔石墨烯纖維成為現(xiàn)今材料科學的難題。
[0004]


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種表面多孔、高比表面積、高強度的石墨烯纖維的制備方法。本發(fā)明采用氧化石墨作為原料，通過濕法紡織工藝獲得石墨烯纖維，通過選擇內表面粗糙度Ra值范圍為0.Γ1.0的紡絲頭從而制得的石墨烯纖維具有高比表面積，通過化學或者物理還原處理之后同時具有內部實心結構，具備高機械強度、高電導率、良好韌性。本發(fā)明工藝操作簡單，環(huán)保高效，易于工業(yè)化生產。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)。
[0007]一種表面多孔高比表面積的石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟:
(1)將氧化石墨烯凝膠溶液通過直徑為1飛00μ m的紡絲頭擠出進入凝固液中，在凝固液中停留f60min凝固成纖維，洗滌干燥后得到表面多孔高比表面積的氧化石墨烯纖維，通過調整紡絲頭的內表面粗糙度Ra值范圍為0.Γ1.0,控制石墨烯纖維的比表面；
(2)將步驟(I)所得氧化石墨烯纖維經(jīng)過化學或物理還原后洗滌干燥得到表面多孔高比表面積的石墨烯纖維。
[0008]上述方法中，所述步驟(I)中，所述氧化石墨烯凝膠溶液的濃度為0.5?10mg/ml。
[0009]上述方法中，所述步驟(I)中，所述紡絲頭直徑為1?500μπι，材質為聚丙烯、聚氨酯、硅膠塑料或金屬。
[0010]上述方法中，所述步驟(I)中，所述紡絲頭內表面具有不同的粗糙度。
[0011 ] 上述方法中，所述步驟(I)中，所述凝固液包括氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸銅水溶液、硫酸鎂水溶液或三氯化鐵水溶液中一種以上，所述凝固液的質量百分比濃度為5%?10%。
[0012]上述方法中，所述步驟(2)中，所述還原方法化學還原劑包括抗壞血酸、水合肼、硼氫化鈉、氫溴酸、氫碘酸、醋酸、檸檬酸的一種或多種混合組成，所述的物理還原方法包括熱、微波、光的一種或多種組合。
[0013]本發(fā)明具有以下技術效果:
1、采用氧化石墨作為原料，原料來源易得，成本低。
[0014]2、采用特定材質的紡絲頭能夠獲得具有表面多孔的石墨烯纖維。
[0015]3、能夠制得斷裂拉伸強度為10(T500MPa，比表面積大于800 m2/g的石墨烯纖維。
[0016]4、所得石墨烯纖維具有高機械強度和大比表面積的同時，其導電性能優(yōu)異，電導率大于500 S/cm。
[0017]5、本發(fā)明方法所得石墨烯纖維的直徑可以通過控制紡絲頭的直徑來調節(jié)。
[0018]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實施例1中所用到的紡絲頭內壁電鏡圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實施例1中所用到的紡絲頭內壁粗糙度三維表面形貌粗糙度數(shù)據(jù)圖。
[0021 ] 圖3為本發(fā)明實施例1中得到的石墨烯纖維掃描電鏡照片。
[0022]

【具體實施方式】
[0023]下面通過實施例的方式進一步說明本發(fā)明，但不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據(jù)上述發(fā)明的內容作出一些非本質的改變和調整，均屬于本發(fā)明的保護范圍，同時以下若有未特別說明的原料，均是本領域技術人員可參照現(xiàn)有技術實現(xiàn)或獲取的。
[0024]實施例1
步驟(a)將氧化石墨烯紡絲液凝膠以20ml/h的擠出速度通過直徑為10ym不銹鋼金屬紡絲頭(如圖1所示)，紡絲頭內表面粗超度Ra為0.94 (如圖2所示)，擠出凝膠進入25°C質量分數(shù)為10%的氯化鈣水溶液中停留30min凝固成纖維，洗滌干燥得到表面多孔的氧化石墨烯纖維。
[0025]步驟(b)將步驟(a)所得氧化石墨烯纖維置于氫溴酸與檸檬酸混合酸水溶液中，加熱至80°C反應6h，經(jīng)過洗滌干燥得到表面多孔高比表面積的石墨烯纖維(如圖3所示)。
[0026]經(jīng)過以上步驟，得到的纖維的直徑為80 μ m (如圖3所示)。制備的石墨烯纖維比表面積為850 m2/g，拉伸強度為300MPa，同時具有良好的韌性。所得石墨烯纖維可以當作點亮發(fā)光二極管的導線使用，電導率為540 S/cm。
[0027]實施例2
重復實施例1，除有以下不同點外，其它條件均相同:所用凝固液為質量分數(shù)5%氫氧化鈉水溶液代替10%的氯化鈣水溶液；所用的還原方法為加熱到500°C，進一步洗滌干燥得到石墨烯纖維。
[0028]得到的石墨烯纖維斷裂拉伸強度為480MPa，電導率為600 S/cm,比表面積為800m2/g，同時具有良好的韌性。
[0029]實施例3
重復實施例1，除有以下不同點外，其它條件均相同:所用的還原方法為40%的氫碘酸水溶液，進一步洗滌干燥得到石墨烯纖維。
[0030]得到的石墨烯纖維斷裂拉伸強度為450MPa，電導率為500 S/cm，比表面積為810m2/g，同時具有良好的韌性。
【權利要求】
1.一種表面多孔高比表面積的石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將氧化石墨烯凝膠溶液通過直徑為1飛00μ m的紡絲頭擠出進入凝固液中，在凝固液中停留f60min凝固成纖維，洗滌干燥后得到表面多孔高比表面積的氧化石墨烯纖維，通過調整紡絲頭的內表面粗糙度Ra值范圍為0.Γ1.0,控制石墨烯纖維的比表面； (2)將步驟(I)所得氧化石墨烯纖維經(jīng)過化學或物理還原后洗滌干燥得到表面多孔高比表面積的石墨烯纖維。
2.根據(jù)權利要求1所述表面多孔高比表面積的石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中，所述氧化石墨烯凝膠溶液的濃度為0.5^10mg/mL.
3.根據(jù)權利要求1所述表面多孔高比表面積的石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中，所述紡絲頭直徑為1飛00 μ m，材質為聚丙烯、聚氨酯、硅膠塑料或金屬。
4.根據(jù)權利要求1所述表面多孔高比表面積的石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中，所述紡絲頭內表面具有不同的粗糙度。
5.根據(jù)權利要求1所述表面多孔高比表面積的石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中，所述凝固液包括氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸銅水溶液、硫酸鎂水溶液或三氯化鐵水溶液中一種以上，所述凝固液的質量百分比濃度為59TlO%。
6.根據(jù)權利要求1所述表面多孔高比表面積的石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述還原方法化學還原劑包括抗壞血酸、水合肼、硼氫化鈉、氫溴酸、氫碘酸、醋酸、檸檬酸中的一種以上，所述的物理還原方法包括熱、微波、光中的一種以上。
7.由權利要求1-6任一項所述的制備方法制備得到一種表面多孔高比表面積的石墨烯纖維。
【文檔編號】D01F11/14GK104451959SQ201410701714
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權日:2014年11月28日
【發(fā)明者】葉建山, 蔡偉華, 賴婷 申請人:華南理工大學