[发明专利]一种利用3D溶液打印技术制备石墨烯纳米带纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用3D打印技术制备纤维的方法，属于3D打印制备领域。

背景技术

石墨烯纳米带是被定义为宽度小于10nm的石墨烯，同时保持长宽比大于10，它比石墨烯具备更灵活可调的性质和更大的应用价值。石墨烯纳米带因其特殊的单层结构具有的高机械强度、弹性、导热率及非凡的电子迁移率迅速成为物理学、化学和材料学的热门话题，掀起了研究人员对其性质和应用的研究热潮。为充分利用石墨烯的优良性能，将石墨烯纳米带制备成宏观材料是很有实际应用价值的，将石墨烯纳米带组装成薄膜和块状结构，可应用于超级电容器、埋离子电池、能源催化等功能材料领域。目前国内浙江大学高超等已经通过改性氧化石墨烯，采用湿法纺丝制得氧化石墨烯纤维。因此为了成功制备出石墨烯纳米带纤维提供了一个很好的借鉴作用。但这些方法制备石墨烯纤维的加工工艺复杂，生产周期长，因此更简易的制备多功能的石墨烯纳米带纤维的方法成为研究的热点。

发明内容

本发明是要解决的现有的石墨烯纤维的加工方法工艺复杂、生产周期长的技术问题，而提供一种利用3D溶液打印技术制备石墨烯纳米带纤维的方法。

本发明的利用3D溶液打印技术制备石墨烯纳米带纤维的方法，按以下步骤进行：

一、将多壁碳纳米管放入浓硫酸与浓磷酸的混合溶液中，加入高锰酸钾，在温度为55～80℃的条件下反应为1～5小时，反应结束后，加入含有过氧化氢的冰水溶液进行稀释，然后用高速离心机使固液分离，提取固体物；再将固体物用盐酸溶液、去离子水进行抽滤清洗至中性，真空干燥，得到石墨烯纳米带；

二、按石墨烯纳米带的质量与高纯去离子水的体积的比(5～20)mg：1mL的比例，将步骤一得到的石墨烯纳米带分散在高纯去离子水中，得到石墨烯纳米带打印溶液；将石墨烯纳米带打印溶液转移到3D液态打印机的打印器中，按预设的纤维的形状和尺寸，将打印溶液经打印器的喷口打印到乙酸乙酯的凝固浴中并保持0.5～1h后，取出晾干，并在烘箱中80～90℃烘干，得到石墨烯纳米带纤维。

本发明将多壁碳纳米管在浓硫酸与浓磷酸的混合溶液中用高锰酸钾在碳纳米管表面的缺陷处进行氧化剥离，得到石墨烯纳米带，再将石墨烯纳米带制成打印溶液，利用3D打印快速成形技术，按预设的石墨烯纳米带纤维的形状，使3D液态打印机进行横向与纵向的移动，将打印溶液打印到乙酸乙酯的凝固浴中成型，制备出不同堆叠形状的纤维，得到石墨烯纳米带纤维。通过调节打印溶液中石墨烯纳米带含量来制备不同浓度的石墨烯纳米带纤维，从而得到直径不同，导电性和强度不同的石墨烯纳米带纤维。该方法工艺简单，精度高，形状和尺寸要更改和调节，可工业化生产，所制备的石墨烯纳米带纤维的拉伸强度90～100MPa，同时该纤维具有较高的柔性，可用于能源存储器件、光伏器件、传感器等领域。

附图说明

图1为试验1中所使用的3D打印机示意图；其中1为底框，2为导轨，3为凝固浴盒，4为上下移动支架，5为左右移动支架，6为打印器，7为喷头；

图2为试验1步骤二制备的石墨烯纳米带打印溶液的宏观数码相片；

图3为试验1制备的石墨烯纳米带纤维的宏观数码相片；

图4为试验1的石墨烯纳米带纤维的断裂伸长率与拉伸强度的关系曲线图；

图5为试验1制备的制备的石墨烯纳米带纤维的表面扫描电镜图；

图6为试验1制备的制备的石墨烯纤维的断面扫描电镜图；

图7为试验2制备的制备的石墨烯纳米带纤维的表面扫描电镜图；

图8为试验3制备的制备的石墨烯纳米带纤维的表面扫描电镜图。

具体实施方式

具体实施方式一:本实施方式的利用3D溶液打印技术制备石墨烯纳米带纤维的方法，按以下步骤进行：

一、将多壁碳纳米管放入浓硫酸与浓磷酸的混合溶液中，加入高锰酸钾，在温度为55～80℃的条件下反应为1～5小时，反应结束后，加入含有过氧化氢的冰水溶液进行稀释，然后用高速离心机使固液分离，提取固体物；再将固体物用盐酸、去离子水进行抽滤清洗至中性，真空干燥，得到石墨烯纳米带；

二、按石墨烯纳米带的质量与高纯去离子水的体积的比(5～20)mg：1mL的比例，将步骤一得到的石墨烯纳米带分散在高纯去离子水中，得到石墨烯纳米带打印溶液；将石墨烯纳米带打印溶液转移到3D液态打印机的打印器中，按预设的纤维的形状和尺寸，将打印溶液经打印器的喷口打印到乙酸乙酯的凝固浴中并保持0.5～1h后，取出晾干，并在烘箱中80～90℃烘干，得到石墨烯纳米带纤维。