[发明专利]石墨烯纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯纤维，包括呈线状的碳纤维以及紧密包裹在碳纤维外部的石墨烯片层，碳纤维和石墨烯片层共同构成了石墨烯纤维。还公开了一种石墨烯纤维的制备方法，包括：将聚丙烯腈溶解在DMF中，搅拌得到前驱体溶液，其中，聚丙烯腈的质量百分比为12％‑16％，采用静电纺丝技术将前驱体溶液纺在金属催化剂衬底上，得到聚苯烯腈纳米纤维前驱体；将金属催化剂衬底上的聚苯烯腈纳米纤维前驱体充分固化，并在非氧化性气体环境中加热至900‑1200℃，保持3‑20分钟，即可在金属催化剂衬底上得到石墨烯纤维。本发明采用静电纺丝技术和化学气相沉积相结合的方法，原料来源易得，成本较低，制得的石墨烯纤维具有优异的机械性质，较高的柔性。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纤维及其制备方法。

背景技术

碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维可加工性两大特征，是一种力学性能优异的新材料。在物理性质上具有强度大、模量高、密度低、膨胀系数小等特点。可运用到复合材料、土木建筑、航空航天、汽车材料等。美国专利案US2013/0084455A1公开了一种以聚烯烃纤维为前驱体制备碳纤维的方法。此方法可以调控碳纤维的特性及形貌。

石墨烯(graphene)是一种超薄的单原子二维材料，其独特的物理结构，使其具有一系列优异的性能，使其备受关注。最初，由机械剥离的方法制备出的石墨烯，其迁移率高达200，000V^-1S^-1。目前，采用化学气相沉积法在金属衬底表面进行石墨烯制备，可获得大面积高质量的单层、双层或者多层石墨烯。美国专利US2012/0298396A1公开了一种石墨烯纤维的制备方法，利用化学气相沉积技术，在线性金属基底上沉积一层石墨烯，在将其在刻蚀液中刻蚀掉金属基底，从而得到石墨烯纤维。前述所提供的专利方案在制备石墨烯纤维的过程中工艺复杂，而且对线性金属基底的要求比较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种石墨烯纤维及其制备方法，该石墨烯纤维具有优异的机械性质和较高的柔性，该制备方法步骤简单，对金属衬底要求低。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种石墨烯纤维，包括呈线状的碳纤维以及紧密包裹在碳纤维外部的石墨烯片层，碳纤维和石墨烯片层共同构成了石墨烯纤维。

进一步，所述石墨烯纤维的直径小于或等于900nm，粗糙度的范围为：16.9nm-39.8nm。

本发明还提供了一种石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：将聚丙烯腈溶解在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，搅拌得到前驱体溶液，前驱体溶液中，聚丙烯腈的质量百分比为12％-16％，采用静电纺丝技术将前驱体溶液纺在金属催化剂衬底上，得到聚丙烯腈纳米纤维前驱体；

步骤S2：将金属催化剂衬底上的聚丙烯腈纳米纤维前驱体充分固化，并在非氧化性气体环境中加热至900-1200℃，保持3-20分钟，即可在金属催化剂衬底上得到石墨烯纤维。

进一步，所述步骤S1中，前驱体溶液的搅拌温度为50-80℃，搅拌时间为20-30h。

进一步，所述金属催化剂衬底为Cu箔。

进一步，所述步骤S2中，聚丙烯腈纳米纤维前驱体的固化温度范围为：50-80℃，所述固化在干燥箱中进行，固化时间为2-6小时。

进一步，所述非氧化性气体为Ar、H₂、N₂中的一种或多种按照任意比例混合。

进一步，所述制备方法还包括刻蚀的步骤，刻蚀步骤如下：将在金属催化剂衬底上得到的石墨烯纤维，放入刻蚀液中，将金属催化剂衬底刻蚀掉，再用去离子水反复清洗数次，即可转移到任意所需基底上，或捻成石墨烯绳。

进一步，所述刻蚀液为过硫酸钠溶液或三氯化铁溶液。