[发明专利]一种石墨烯纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纤维的制备方法。

背景技术

石墨烯作为所有碳材料的最基本结构单元，具有真正的单原子层厚度和严格的二维结构，具有很高的机械强度、弹性、导热性、导电性以及量子霍尔效应等。自从2010年英国科学家安德列杰姆和克斯特亚诺沃塞诺发现石墨烯而获得诺贝尔奖以来，石墨烯研究达到前所未有的研究高潮，越来越多的研究发现，其在能量储存、电学器件、催化及生物医学的特殊领域具有巨大的应用前景。

从实际应用角度考虑，将纳米石墨烯材料转变为宏观结构材料中无疑是非常有价值的研究方向。已经有大量的研究针对宏观石墨烯结构材料的研究和制备，包括宏观三维石墨烯基块体凝胶材料，二维石墨烯薄膜材料。一维的纤维结构也被很多人预言过其可行性，但这类尝试很少成功。目前，国内外只有少数课题组分别通过不同的方法制备出了石墨烯纤维。浙大高超等人[发明专利，申请公布号CN102586946A]以及中国科技大学俞书宏等人[发明专利，申请公布号CN102817111A]选用不同沉淀剂通过湿纺-还原两步法得到了石墨烯纤维。北京理工大学曲良体等人[发明专利，申请公布号CN102583334A]通过在玻璃管中高温水热反应得到了石墨烯纤维。因此一种简便的一步法以及低温、温和地制备石墨烯纤维的方法有待开发，以便更好的大规模应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于为了克服了现有技术中石墨烯纤维的制备方法温度高、工艺复杂的缺陷，提供了一种石墨烯纤维的制备方法。本发明的制备方法操作简单，条件温和，原材料成本低；利用本发明所述的方法制备得到的石墨烯纤维，结构均匀，机械性能优异，易功能化。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

本发明提供了一种石墨烯纤维的制备方法，其包括下述步骤：

（1）将氧化石墨烯溶液与水溶性还原剂的混合物加入到管状反应器中；所述的水溶性还原剂为抗坏血酸、抗坏血酸钠、柠檬酸钠、HI、HBr、NaHSO₃、Na₂S、乙二胺、对苯二胺和对苯二酚中的一种或多种；

（2）加热步骤（1）的管状反应器，氧化石墨烯还原组装为含水石墨烯凝胶纤维；所述的加热的温度为60～95℃；

（3）将步骤（2）得到的含水石墨烯凝胶纤维干燥，即得石墨烯纤维。

其中，步骤（1）中，混合物加入到管状反应器中后，管状反应器可以封口，也可以不封口，较佳地为不封口。

其中，所述的氧化石墨烯溶液可为本领域常规方法制得的氧化石墨烯溶液，较佳地为采用氧化剥离石墨法（即Hummers法）制得的氧化石墨烯溶液，更佳地为改进的氧化剥离石墨法制得的氧化石墨烯溶液，最佳地通过下述步骤制得：①预氧化：将石墨、浓硫酸和硝酸倒入水中，过滤，烘干；重复上述预氧化过程2～3次，得到预氧化石墨；②热膨胀：将步骤①的预氧化石墨在400～900℃条件下热膨胀10～30s，得到热膨胀氧化石墨；③将步骤②的热膨胀氧化石墨与浓硫酸、K₂S₂O₈和五氧化二磷的混合物在80～90℃条件下加热，加入水过滤洗涤，干燥，得到预氧化热膨胀石墨；④将步骤③的预氧化热膨胀石墨与浓硫酸在0～5℃条件下混合，加入高锰酸钾，反应，再加入双氧水，静置，离心洗涤，加入水搅拌即得氧化石墨烯溶液。

其中，所述的混合物中，氧化石墨烯的用量较佳地为1～10mg/mL混合物。

其中，所述的管状反应器采用一般的细长状反应器即可，所述的管状反应器的直径较佳地为2.5～18mm，长度较佳地为0.01～1m；所述的管状反应器较佳地为聚丙烯塑料管、聚氨酯塑料管或硅胶塑料管。

其中，所述的氧化石墨烯与所述的水溶性还原剂的质量比较佳地为（1:0.5）～（1:800），更佳地为（1:0.5）～（1:400）。

步骤（2）中，所述的加热的时间较佳地为0.5～100小时。

步骤（3）中，所述的干燥的温度较佳地为10～100℃，所述的干燥的时间较佳地为2～100小时。

所述的石墨烯纤维的制备方法中，优选进一步对步骤（3）得到的石墨烯纤维进行后处理。所述的后处理包括下述步骤：将步骤（3）得到的石墨烯纤维在惰性气氛中真空热处理。所述的惰性气氛较佳地为氮气、氩气和氦气中的一种或多种，所述的热处理的温度较佳地为300～800℃，所述的热处理的时间较佳地为2～3小时。所述的在惰性气氛中真空热处理是指在惰性气氛下，再抽真空进行热处理。经过热处理后，石墨烯纤维的强度得到提升。