[发明专利]石墨烯膜加捻成型法制备石墨烯纤维的方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯膜加捻成型法制备石墨烯纤维的方法，所述方法为干法纺丝法。

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、电子迁移率（100,000cm2· V-1·s-1）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，石墨烯可用于场效应晶体管、高频器件、超级微处理器和单分子探测器等。而由石墨烯为基本单元构成的三维结构材料，如薄膜和块状材料，可应用于可控透气性膜、各向异性离子传导体、超级电容器、锂离子电池以及能源催化等功能材料领域。

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。石墨烯研究和应用中的一个主要难题是石墨烯宏观结构的有效组装，目前比较成功的组装是得到三维结构的薄膜和块状。在组装宏观结构为一维结构的石墨烯方面；虽然目前已有制备得到石墨烯纤维，但是，由于石墨烯本身的溶解度低以及粘性差，所以难以制备高强度石墨烯纤维。

目前，国内外科研工作者分别通过不同的方法制备出了石墨烯纤维。浙江大学高超等人以及中国科技大学俞书宏等人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通过在玻璃管中高温水热反应得到了石墨烯纤维。曲良体等的文献报道，该文献公开将氧化石墨烯溶液注入到内部装有铜丝的毛细管中，进行水热合成石墨烯/ 铜丝的纤维，冷却后将铜丝除去得到中空的石墨烯微纳米管，该方法制备的石墨烯微纳米管有一定的柔韧度，但是不能连续化生产，只能得到石墨烯微纳米管，不能得到氧化石墨烯中空纤维，而且该方法后续处理和除杂操作均耗时很长，有待改进或发展新方法。

近几年，专利CN201180020978.9用于纺制石墨烯带纤维的工艺，公开了碳纳米管展开为石墨烯带的方法；201410016557.4、CN 201210001537.0（由大尺寸氧化石墨烯片制备高强度导电石墨烯纤维的方法）、CN201210001524.3（一种高强度石墨烯有序多孔纤维及其制备方法）、CN201210017773.1（一种石墨烯纤维的制备方法）、CN201210001 536.6（一种离子增强石墨烯纤维及其制备方法）、CN201110441254.3（一种高强度宏观石墨烯导电纤维的制备方法）等公开了不同的湿法纤维制备方法；CN201310064 816.6（石墨烯/TiO2纤维的制备方法）公开了湿法制备参杂氧化钛的工艺；CN2011 10098809.9（电纺-水热法制备石墨烯/陶瓷纳米晶颗粒复合材料的方法）公开了湿法静电纺丝的方法； CN200580000581.8（具有多种结构的微细碳纤维）公开了轴向垂直的微细碳纤维的性能；因此一种能高效利用现有、成熟、传统工业化设备，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现有技术中采用湿法制备石墨烯纤维的制备方法需要烘干耗能大、工艺复杂的缺陷，提供了一种干法制备石墨烯纤维的方法。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。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种涂布法制备石墨烯纤维的方法，步骤如下：

一种石墨烯膜加捻成型法制备石墨烯纤维的方法，步骤如下：

（1）用化学气相沉积法或真空加热铜箔的方法在铜箔表面制备铜箔负载石墨烯薄膜卷材；

（2）将铜箔负载石墨烯薄膜卷材导入温度为60-90℃的水中，由于温度的驱使，铜箔表面附载的石墨烯与铜箔间的力不足以使石墨烯保留在铜箔表面，石墨烯薄膜同铜箔发生分离，得到石墨烯薄膜；

（3）铜箔收卷回收，石墨烯薄膜经聚集加捻装置加捻成石墨烯纤维或丝或纱或线，同时输出到卷绕成型装置，直接制成一定卷装容量的带捻度的石墨烯纤维/丝/纱/线筒子。

所述步骤（1）中用真空加热铜箔的方法在铜箔表面制备铜箔负载石墨烯薄膜卷材的工艺为：以铜箔为催化剂，在1020-1069℃的条件下加热催化剂使碳源蒸汽在催化剂表面形成需要厚度的石墨烯薄膜。