[发明专利]捻度可控的石墨烯纤维的制备方法

说明书

本发明提供一种捻度可控的石墨烯纤维的制备方法，所述方法包括如下步骤：将氧化石墨烯纺丝液以一定的速度自所述纺丝甬道的上方输送至纺丝甬道中；在纺丝甬道中由上自下依次对所述纺丝液进行热风固化、牵引和加捻，获得氧化石墨烯纤维，其中，在所述纺丝甬道的下方设置有加捻收集装置，通过控制所述加捻收集装置的转动对牵引后的纤维进行不同捻度的加捻；将所述氧化石墨烯纤维通过化学还原得到石墨烯纤维。本发明的方法制备的石墨烯纤维具有可控调节的结构、力学性能和电化学性能。

技术领域

本发明涉及石墨烯纤维制备领域，具体涉及捻度可控的石墨烯纤维的制备方法，尤其涉及一种具有单纤加捻结构且捻度可控的石墨烯纤维的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成呈六角形蜂巢晶格的二维碳纳米材料，是目前世界上最薄且强度最高的材料，具有优异的力学、电学、热学、光学等性能，自发现以来备受瞩目，一直是科学界和材料界研究的热点。由石墨烯组装构成的宏观材料，如一维的纤维、二维的薄膜、三维的多孔气凝胶等材料，表现出良好的性能和潜在的应用前景。其中，一维石墨烯纤维材料在柔性电极、超级电容器、传感器、智能可穿戴等方面表现出优异的性能和广泛的应用前景。由于石墨烯片层间强大的作用力，极易发生团聚和堆砌，且不溶于大多数溶剂，因此很难通过石墨烯组装构建宏观石墨烯纤维材料。氧化石墨烯作为石墨烯的衍生物，具有丰富的含氧官能团，如羟基、羧基、环氧基等，因此氧化石墨烯溶于大多数的溶剂，并且可以通过化学还原或者热还原得到石墨烯，是制备宏观石墨烯功能材料的良好选择。

目前，石墨烯纤维的制备主要以氧化石墨烯为原料通过湿法纺丝工艺制备得到，其突破了模板法、薄膜收缩法、电泳组装法等在成型尺寸、制备效率、力学性能等方面的局限，能够连续制备较优性能的石墨烯纤维长丝，是可工业化生产的良好技术。但在湿法纺丝成型技术中，凝固浴起决定作用，初生氧化石墨烯纤维在凝固浴中收缩凝固固化成型，后再经过干燥和洗涤得到氧化石墨烯纤维。常见的凝固浴为有机溶液和无机盐溶液，如乙醇、DMF、CTAB、氯化钙、氯化钾、氢氧化钾等溶液。在凝固浴中，初生氧化石墨烯纤维在凝固收缩过程中会吸收凝固剂，在后续洗涤烘干过程中，这些凝固剂很难被清洗干净，成为纤维中的杂质，影响纤维性能。此外，初生纤维需要一定的时间在凝固浴中凝固成纤，故湿法纺丝的效率仍然有待提高。

干法纺丝技术是一种以高浓度氧化石墨烯溶液为原料，在纺丝甬道中通过高温热气流使得纺丝液中的溶剂快速挥发、纤维干燥成型的一种纺丝技术。与湿法纺丝相比，最为突出的优点是无凝固浴，纤维的制备过程中无需在凝固浴中停留，也无需在后续的过程中进行反复洗涤以去除残留的凝固剂。因此，干法纺丝制备石墨烯纤维过程更为简短、便捷，纤维也更为纯净。我们在发明专利申请《一种干法纺丝制备的超高柔性石墨烯纤维及其制备方法》(201810012261.3)中公开了一种石墨烯纤维的干法纺丝技术。但在干法纺丝过程中，纤维的外表层先干燥固化成型，形成皮层结构，容易导致芯层中氧化石墨烯干燥缓慢，加上皮层已固化的结构，从而使得内部氧化石墨烯片堆叠不够致密，影响纤维的力学性能及电化学性能等。在发明专利申请《一种自捻石墨烯纤维及其制备方法》

(201810011288.0)中，我们通过调节热气流的角度，利用纺丝甬道中气流的旋转获得了具有一定捻度结构的石墨烯纤维，通过单纤自旋加捻能够提高纤维中石墨烯片间的致密程度。但热气流的加捻效果有限，对纤维的力学等相关性能提升不足。因此，对氧化石墨烯纤维的干法纺丝工艺进一步优化升级，通过相关技术实现石墨烯纤维单纤捻度结构的调控，能够有效控制纤维的内部结构，从而获得相应不同优化性能的石墨烯纤维。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种捻度可控的石墨烯纤维的制备方法，所述方法制备的石墨烯纤维捻度可控，且具有更好的力学性能和电化学性能。具体技术方案如下所述：

本发明提供一种捻度可控的石墨烯纤维的制备方法，包括如下步骤：

将氧化石墨烯纺丝液以一定的速度自所述纺丝甬道的上方输送至纺丝甬道中；