[发明专利]一种碳包光纤的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳包光纤的制备方法，首次将能够快速加热的微波技术与石墨烯衍生物微波吸收特性结合，同时结合石墨烯高的导热能力及石墨烯层的热量易于被快速交换转移的特性，通过设定石墨烯衍生物层包覆石英复合光纤运动通过微波加热区的速度而精确控制加热时间、冷却时机及避免加热不均匀的基础上，使得石英光纤表面涂布的石墨烯衍生物层能够方便、快捷地转化为石墨烯层。通过该种方法制备的石英复合光纤不但能够具有良好的导电能力而且因为良好的封闭作用而可以有效地避免腐蚀，可以为石英光纤、石墨烯材料的进一步发展及应用作出贡献。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种碳包光纤特别是将具有良好导电能力及封闭作用的石墨烯用于包覆石英光纤从而使得石英光纤具有良好的导电能力及防腐蚀能力。本发明提出的制备碳包光纤的方法为首先石墨烯衍生物溶液涂布石英光纤获得石墨烯衍生物层包覆复合石英光纤，然后复合石英光纤在设定气氛下以设定速度通过微波加热区而精确控制加热时间及避免加热不均的情况下通过微波选择性加热复合石英光纤表面的石墨烯衍生物层从而快速、方便地将涂布在石英光纤表面的石墨烯衍生物层转化为石墨烯层而获得石墨烯层包覆的复合石英光纤即碳包光纤。

背景技术

石英光纤因具有优良的传输特性而广泛应用于包括长途通信网等众多领域中,但是在使用中存在着两个长期可靠性问题:由于静态疲劳而引起机械强度下降以及由于氢气扩散进石英玻璃体内而引起传输损耗增加。为此人们开发了碳密封涂覆技术以期利用碳涂层独特的结构阻止氢气和水分子与光纤表面接触，从而提高光纤的抗静态疲劳以及抗氢气引入损耗增加的能力并取得了良好的效果。涂碳光纤的制造工艺是在拉丝过程中,于光纤玻璃表面上在线沉积一层3 0～7 0纳米厚的无定形碳，然后再涂覆聚合物保护涂层。而另一方面，石墨烯作为一种二维导电材料，其优异的力学性质(杨氏模量高达1.0TPa)、电学性质(电子迁移率高达10⁶cm².v^-1s^-1)、热学性质(热导系数高达5000w.m^-1.k^-1)、光学性质(单层石墨烯的可见光吸收仅有2.3％和优异的锁模特性)，使得其在石英光纤表面修饰领域的应用潜能受到人们的高度关注。人们的研究表明石英光纤表面通过气相沉积方法制备的石墨烯层包覆石英光纤不仅具有良好的包覆能力而且其优异的导电能力还使得通过电控制光纤中光的传播成为可能。然而目前通过气相沉积在石英光纤表面生长石墨烯层不仅费时而且由于加热需要热传输因此能耗很大。此外，人们还开发了基于石墨生产的氧化石墨烯或者其还原产物还原氧化石墨烯涂布材料的技术。氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯溶液能够以石墨烯基面与涂布基底平行的方式层层叠加涂布成膜，但是其导电能力欠佳并且石墨烯基面上由于氧化形成的小孔具有一定的物质通过能力均影响其在众多领域的广泛应用。而基于高温还原由氧化石墨烯制备的具有高还原程度的石墨烯粉末虽然导电性能改善，但由于其分散性能欠佳，目前人们只能通过粉末静电喷涂的方式涂布在材料表面。然而粉末静电喷涂由于石墨烯粉末团聚而难以使得石墨烯基面铺展均匀包覆材料，因此其并不能发挥石墨烯材料的优越性能。为此人们还开发了添加了石墨烯粉末的胶黏剂。但是其由于高分子材料的添加将影响石墨烯导电、导热能力的发挥。所以人们迫切需要开发新的技术能够方便、快捷、低能耗地将石墨烯层包覆在材料表面。为此，本发明在国际上首次提出利用石墨烯衍生物的微波吸收能力及微波具有即开即加热的特性结合，将石墨烯衍生物溶液涂布在石英光纤表面获得石墨烯衍生物层包覆复合石英光纤后，在设定气氛下使得复合石英光纤以设定速度通过微波加热区而精确控制加热时间及避免加热不均的情况下通过微波选择性加热复合石英光纤表面的石墨烯衍生物层从而快速、方便地将涂布在石英光纤表面的石墨烯衍生物层转化为石墨烯层而获得石墨烯层包覆的复合石英光纤即碳包光纤。由于本发明的溶液涂布的石墨烯衍生物层以石墨烯基面铺展的形态层层包覆在石英光纤上，因此高温处理获得的石墨烯层不但修复了氧化的石墨烯基面上的小孔而具有良好的封闭性能及防腐性能，而且还由于不同石墨烯片层间π电子云之间的相互作用而可以保持较好的导电性能。而微波选择性地加热(时间常以秒计)石墨烯衍生物层，不仅可以避免其它升温加热(时间常以小时计)由于需要热传输等而引发的高能耗，而且离开微波加热区即可以快速冷却，因此大大缩短加工时间，所以本申请利用微波加热石墨烯衍生物包覆修饰制备碳包光纤的方法不仅能够获得表面具有良好导电能力及防腐能力的石墨烯层，而且由于使用即开即加热且加热具有选择性的微波加热技术而能够有效降低能耗并缩短加工时间因此有助于石墨烯层包覆修饰的石英复合光纤的进一步研发及推广应用。