一种表面多孔高比表面积的石墨烯纤维及其制备方法

摘要

本发明公开了一种表面多孔高比表面积石墨烯纤维及其制备方法。该方法的步骤包括：将氧化石墨烯凝胶溶液通过直径为1~500μm的纺丝头挤出进入凝固液中，在凝固液中停留1~60min凝固成纤维，洗涤干燥后得到表面多孔高比表面积的氧化石墨烯纤维，通过调整纺丝头的内表面粗糙度R

说明书

技术领域

     本发明涉及石墨烯纤维及其制备方法，具体涉及一种表面多孔高比表面积的石墨烯纤维及其制备方法。

 

背景技术

石墨烯作为一种新型的碳纳米材料，自2004年起获得了广泛的关注和研究。越来越多的研究发现，这种材料通过不同的方法制备可以获得高强度、大导热系数、高导电性能，大比表面积等优异性能。这些优异的性能也决定了石墨烯在能量存储、太阳能、电学器件、催化、生物医学等领域有着广阔而重要的应用前景。在石墨烯宏观材料的制备方面，二维薄膜材料及三维块状凝胶材料报道较多，一维多孔结构纤维的石墨烯只有少数课题组成功制备。浙大高超等人[发明专利，申请公布号CN102586946A]通过将氧化石墨烯注入到液氮中获得多孔石墨烯纤维。但是，这种多孔石墨烯纤维仍然存在机械强度低15~20MPa，电导率较差10 S/cm等缺陷，归其原因在于其表面光滑内部多孔的结构决定。因此，如何制备具有高强度、高电导率多孔石墨烯纤维成为现今材料科学的难题。

 

发明内容

    本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种表面多孔、高比表面积、高强度的石墨烯纤维的制备方法。本发明采用氧化石墨作为原料，通过湿法纺织工艺获得石墨烯纤维，通过选择内表面粗糙度R_a值范围为0.1~1.0的纺丝头从而制得的石墨烯纤维具有高比表面积，通过化学或者物理还原处理之后同时具有内部实心结构，具备高机械强度、高电导率、良好韧性。本发明工艺操作简单，环保高效，易于工业化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现。

一种表面多孔高比表面积的石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯凝胶溶液通过直径为1~500μm的纺丝头挤出进入凝固液中，在凝固液中停留1~60min凝固成纤维，洗涤干燥后得到表面多孔高比表面积的氧化石墨烯纤维，通过调整纺丝头的内表面粗糙度R_a值范围为0.1~1.0,控制石墨烯纤维的比表面；

（2）将步骤（1）所得氧化石墨烯纤维经过化学或物理还原后洗涤干燥得到表面多孔高比表面积的石墨烯纤维。

上述方法中，所述步骤（1）中，所述氧化石墨烯凝胶溶液的浓度为0.5~10mg/ml。

上述方法中，所述步骤（1）中，所述纺丝头直径为1~500μm，材质为聚丙烯、聚氨酯、硅胶塑料或金属。

上述方法中，所述步骤（1）中，所述纺丝头内表面具有不同的粗糙度。

上述方法中，所述步骤（1）中，所述凝固液包括氯化钙水溶液、氢氧化钠水溶液、硫酸铜水溶液、硫酸镁水溶液或三氯化铁水溶液中一种以上，所述凝固液的质量百分比浓度为5%~10%。

上述方法中，所述步骤（2）中，所述还原方法化学还原剂包括抗坏血酸、水合肼、硼氢化钠、氢溴酸、氢碘酸、醋酸、柠檬酸的一种或多种混合组成，所述的物理还原方法包括热、微波、光的一种或多种组合。

本发明具有以下技术效果：

  1、采用氧化石墨作为原料，原料来源易得，成本低。

  2、采用特定材质的纺丝头能够获得具有表面多孔的石墨烯纤维。

  3、能够制得断裂拉伸强度为100~500MPa，比表面积大于800 m²/g 的石墨烯纤维。

4、所得石墨烯纤维具有高机械强度和大比表面积的同时，其导电性能优异，电导率大于500 S/cm。

  5、本发明方法所得石墨烯纤维的直径可以通过控制纺丝头的直径来调节。

 

附图说明

图1为本发明实施例1中所用到的纺丝头内壁电镜图。

图2为本发明实施例1中所用到的纺丝头内壁粗糙度三维表面形貌粗糙度数据图。

    图3为本发明实施例1中得到的石墨烯纤维扫描电镜照片。

    

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容作出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围，同时以下若有未特别说明的原料，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或获取的。

 

实施例1

     步骤（a）将氧化石墨烯纺丝液凝胶以20ml/h的挤出速度通过直径为100μm不锈钢金属纺丝头（如图1所示），纺丝头内表面粗超度R_a为0.94（如图2所示），挤出凝胶进入25℃ 质量分数为10%的氯化钙水溶液中停留30min凝固成纤维，洗涤干燥得到表面多孔的氧化石墨烯纤维。

     步骤（b）将步骤(a)所得氧化石墨烯纤维置于氢溴酸与柠檬酸混合酸水溶液中，加热至80℃反应6h，经过洗涤干燥得到表面多孔高比表面积的石墨烯纤维（如图3所示）。

经过以上步骤，得到的纤维的直径为80μm（如图3所示）。制备的石墨烯纤维比表面积为850 m²/g，拉伸强度为300MPa，同时具有良好的韧性。所得石墨烯纤维可以当作点亮发光二极管的导线使用，电导率为540 S/cm。

实施例2

     重复实施例1，除有以下不同点外，其它条件均相同：所用凝固液为质量分数5%氢氧化钠水溶液代替10%的氯化钙水溶液；所用的还原方法为加热到500℃，进一步洗涤干燥得到石墨烯纤维。

 得到的石墨烯纤维断裂拉伸强度为480MPa，电导率为600 S/cm，比表面积为800 m²/g，同时具有良好的韧性。

实施例3

     重复实施例1，除有以下不同点外，其它条件均相同：所用的还原方法为40%的氢碘酸水溶液，进一步洗涤干燥得到石墨烯纤维。

得到的石墨烯纤维断裂拉伸强度为450MPa，电导率为500 S/cm，比表面积为810 m²/g，同时具有良好的韧性。