[发明专利]一种高导电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，尤其涉及一种高导电石墨烯纤维及其制备方法。

背景技术

石墨烯(graphene)是由单碳原子层构成的一种新型二维晶体材料，石墨烯即单碳原子层石墨，它具有一系列超乎想象的优越性能。如，最高的力学性能，模量为1.1TPa，强度为180GPa；最高的载流子传输速率，高达150000cm²/Vs,是单晶硅的100倍；最高的热导率5000W/mK,是铜的10多倍；最高的电导率(10⁸S/m)和超高的电流负载密度。从天然石墨出发，通过氧化法制备氧化石墨烯，利用氧化石墨烯溶液的液晶行为，结合湿法纺丝技术，实现了石墨烯纤维的制备(Nat.Commun.2011，2，571)。石墨烯纤维的制备及其功能化已经成为当前研究的热点，尤其是石墨烯纤维做为轻质导线具有良好的发展前景。但是，目前所报道的石墨烯纤维的导电性能并不理想，导电率仅为10000S/m，难以满足实际的应用需求。可以通过优化纺丝工艺、后续的高温热处理、化学掺杂等技术制备出导电性能优异的石墨烯纤维。

发明内容

本发明的目的是克服现有石墨烯纤维制备技术的不足，提供一种高导电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来实现的：一种高导电石墨烯纤维，该纤维由石墨烯沿着轴向有序排列而成，石墨烯层间距约0.3～0.4nm，石墨烯片层之间有溴、碘、溴化碘、氯化碘、钾、钙、氯化铁、氯化钼、氯化铝或氯化铜等掺杂剂，掺杂剂的质量为石墨烯质量的10～30％；石墨烯纤维的取向度为80～90％。

一种高导电石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将1重量份的氧化石墨烯，10～100重量份的溶剂混合，超声分散后得到氧化石墨烯纺丝液；

(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯纺丝液，以1～100mL/h的挤出速度，通过孔径为30～300μm的纺丝头，在10～50℃的凝固浴中停留5～60s左右，收集得到连续的氧化石墨烯纤维；

(3)将步骤(2)中所得的氧化石墨烯纤维置于还原剂中还原，洗涤干燥，得到初级石墨烯纤维；

(4)将步骤(3)中所得的初级石墨烯纤维置于1000～3000℃的石墨炉中，在气氛中热处理1～4h，得到高质量石墨烯纤维。

(5)将步骤(4)中所得到的高质量石墨烯纤维置于掺杂剂蒸汽中处理1～24h，得到高导电的石墨烯纤维。

进一步地，所述步骤(1)中的溶剂主要由二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的一种或者多种按照任意配比混合组成。

进一步地，所述步骤(2)中的凝固液主要由甲醇、乙醇、乙酸乙酯、正丁醇、乙二醇、乙酸丁酯、醋酸正丙酯、乙酸、丙酮中的一种或多种按照任意配比混合组成。

进一步地，所述步骤(3)中的还原剂主要由水合肼、氢溴酸、氢碘酸、醋酸、三氟乙酸中的一种或多种按照任意配比混合组成。

进一步地，所述步骤(4)中所用的气氛是氢气、氩气、氮气中的一种或多种按照任意配比混合组成。

进一步地，所述步骤(5)中掺杂剂蒸汽为溴蒸汽、碘蒸气、溴化碘蒸汽、氯化碘蒸汽、钾蒸汽、钙蒸汽、氯化铁蒸汽、氯化钼蒸汽、氯化铝蒸汽、氯化铜蒸汽等金属氯化物蒸汽。

进一步地，所述步骤(1)中，所述氧化石墨烯为径向尺寸15～35μm的单层氧化石墨烯。

本发明具有以下技术效果：

1、氧化石墨烯的初级原料为石墨，原料来源广泛、易得、成本低廉；

2、采用湿法纺丝技术制备了氧化石墨烯纤维，操作简便；

3、通过化学还原和高温热处理，恢复了石墨烯的完美结构，所得石墨烯纤维具有良好的导电性能和力学性能。

4.通过化学掺杂处理，石墨烯纤维的导电率有数量级的提升。

附图说明

图1为做插层反应的石英管示意图；

图2为掺杂前后石墨烯纤维的I-V曲线。

具体实施方式

本发明通过化学掺杂，将石墨烯纤维的导电率提高到1×10⁶S/m以上，比一般的石墨烯纤维的导电率高出一个数量级。整个过程工艺简单可控，实现了石墨烯纤维导电性能的提升。所得到的石墨烯纤维具有十分优异的力学性能和优异的导电导热性能。