| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202311526717.5 | 申请日 | 2023-11-15 |
| 公开(公告)号 | CN117568953A | 公开(公告)日 | 2024-02-20 |
| 申请人 | 华东理工大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 乔文明; 杨婷婷; 熊科; 施瑞阳; 马成; 王际童; | 第一发明人 | 乔文明 |
| 权利人 | 华东理工大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 华东理工大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：上海市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：上海市徐汇区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：上海市徐汇区梅陇路130号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：200237 |
| 主IPC国际分类 | D01F8/08 | 所有IPC国际分类 | D01F8/08 ; D01D5/00 ; D01D5/34 ; D01F8/18 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京超凡宏宇知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 张金铭; |
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 石墨 烯 纤维 、 石墨烯 纤维束及其制备方法。所述石墨烯纤维束具有芯鞘结构，所述芯鞘结构的内芯聚丙烯腈纤维，鞘层为石墨烯层。所述石墨烯纤维束由所述的石墨烯纤维组装形成。所述石墨烯纤维束的制备方法包括以下：以聚丙烯腈溶液作为纺丝液，以 氧 化石墨烯溶液作为收集浴，进行 静电纺丝 ，得到氧化石墨烯复合纤维；将所述氧化石墨烯复合纤维依次进行预氧化处理、 碳 化处理和 石墨化 处理，得到所述石墨烯纤维束。本发明所述石墨烯纤维束是一种高取向度且堆叠良好的 纳米纤维 束结构的石墨烯纤维束，且具备极佳的 导电性 和 力 学性能。 | ||
| 权利要求 | 1.一种石墨烯纤维，其特征在于，所述石墨烯纤维具有芯鞘结构，所述芯鞘结构的内芯聚丙烯腈纤维，鞘层为石墨烯层。 |
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| 说明书全文 | 一种石墨烯纤维束及其制备方法技术领域背景技术[0002] 石墨烯纤维束作为新型的碳质纤维，是一种由单片石墨烯沿轴向紧密有序排列而成的一维连续组装材料。与传统碳纤维不同的是，石墨烯纤维束是将大尺寸石墨烯直接有序组装而成，受益于石墨烯本身优异的理化特性，其机械强度、导电性能与导热性能有望突破传统碳纤维的性能极限，成为新一代结构功能一体化纤维。 [0003] 石墨烯纤维束目前主要的制备方法是以氧化石墨烯为前驱体材料，借鉴传统纤维的制备方法，如湿法纺丝法、干法纺丝法、干喷湿纺法等，然后经过还原过程，制备得到石墨烯纤维束。此外，也有通过将二维石墨烯膜，经过加捻进行拓扑变换，得到一维石墨烯纤维束。其中，主流的湿法纺丝法虽然操作简便，易批量化的制备。但是，因为在湿法纺丝过程中，纤维内部石墨烯片的排列取向难以控制、凝固时的双扩散过程引入的空洞和缺陷、干燥时极大的体积收缩引起的混沌褶皱等原因，难以实现石墨烯片层的规则排列和高度致密化。这严重的阻碍了石墨烯微观优异性能向宏观纤维材料的传递，极大的影响了石墨烯纤维束及其复合材料的应用。 [0004] 目前，如何对石墨烯的微观结构进行优化，调控石墨烯片层的规则排列以提升其取向度和密实度，成为石墨烯纤维束制备的主要技术瓶颈。 [0005] CN107475793A公开了一种氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维；其步骤为：(1)配制氧化石墨烯的N,N‑二甲基甲酰胺分散液；(2)将聚丙烯腈原丝加入到步骤(1)的溶液中，制得静电纺丝溶液；(3)采用步骤(2)所得静电纺丝溶液进行静电纺丝，将收集的纳米纤维干燥，即得氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维。该方法的制备过程中直接将氧化石墨烯和聚丙烯腈混合制备得到纺丝液，这种方式只能使得氧化石墨烯被封装在纤维内部，而无法在聚丙烯腈纤维的表层附着形成石墨烯层。 [0006] CN108335917A公开了一种炭纳米纤维负载有序排列还原氧化石墨烯电极材料的制备方法，其以鳞片石墨为原料，采用Hummer法制备氧化石墨烯，将氧化石墨烯用离子液体进行表面改性，得到离子液体表面改性氧化石墨烯，与聚合物加入到溶剂中，在超声波作用下，强力搅拌，形成静电纺丝溶液；将静电纺丝溶液进行静电纺丝，将静电纺丝接收器上得到的氧化石墨烯‑聚合物静电纺丝纤维，经过热处理后，得到RGO镶嵌式垂直有序排列于炭纳米纤维表面的复合材料。与上述专利类似，其同样将聚合物和氧化石墨烯直接混合得到纺丝液，进行静电纺丝，这种方式只能使得氧化石墨烯被封装在纤维内部，而无法在聚丙烯腈纤维的表层附着形成石墨烯层；此外，其热处理温度较低，缺少石墨化处理，因而制备得到的纤维的力学强度、韧性和导电性有所降低。 [0007] 有鉴于此，特提出本发明。 发明内容[0008] 本发明的目的之一在于提供一种石墨烯纤维，所述石墨烯纤维具有芯鞘结构，所述芯鞘结构的内芯聚丙烯腈纤维，鞘层为石墨烯层。 [0009] 本发明的目的之二在于提供一种石墨烯纤维束，所述石墨烯纤维束由上述石墨烯纤维组装形成。该结构使得石墨烯在纤维表面构建起高效导电通道，使得其具备极佳的导电性。且该石墨烯片层也不会因为其空间位阻，破坏原有聚丙烯腈纤维完整的结构和规则的排列，影响其机械强度。 [0010] 本发明的目的之三在于提供一种石墨烯纤维束的制备方法，尤其是一种通过水浴静电纺丝制备石墨烯纤维束的方法；所述方法包括以下：以聚丙烯腈溶液作为纺丝液，以氧化石墨烯溶液作为收集浴，进行静电纺丝，得到氧化石墨烯复合纤维；将所述氧化石墨烯复合纤维依次进行预氧化处理、碳化处理和石墨化处理，得到所述石墨烯纤维束。本发明利用水浴静电纺丝所得纱线具备高密实度的特点，制得的氧化石墨烯‑聚丙烯腈复合纤维克服了单一氧化石墨烯纤维束经还原后得到的石墨烯纤维束疏松、强度较低的缺点，得到一种排列紧密，高机械强度的石墨烯纤维束。 [0011] 为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案： [0012] 第一方面，本发明提供一种石墨烯纤维，所述石墨烯纤维具有芯鞘结构，所述芯鞘结构的内芯聚丙烯腈纤维，鞘层为石墨烯层。 [0013] 优选地，所述聚丙烯腈纤维的直径为180～250nm，例如可以是180nm、190nm、200nm、210nm、220nm、230nm、240nm、250nm等。 [0014] 优选地，所述石墨烯层的厚度为45～65nm，例如可以是45nm、46nm、48nm、50nm、52nm、54nm、56nm、58nm、60nm、62nm、65nm等。 [0015] 第二方面，本发明提供一种石墨烯纤维束，所述石墨烯纤维束由如第一方面所述的石墨烯纤维组装形成。 [0016] 在本发明中，所述石墨烯纤维束由多根内芯聚丙烯腈纤维、鞘层为石墨烯层的石墨烯纤维组装而成，具有类似纱线的结构，其具备高密实度的特点；且以聚丙烯腈纤维为内芯，以石墨烯为鞘层，克服了单一氧化石墨烯纤维束经还原后得到的石墨烯纤维束疏松、强度较低的缺点，得到一种排列紧密，高机械强度的石墨烯纤维束。此外，石墨烯片层组装在纳米纤维表面，所形成的“芯鞘”结构，使得石墨烯在纤维表面构建起高效导电通道，使得其具备极佳的导电性。另一方面，石墨烯片层也不会因为其空间位阻，破坏原有聚丙烯腈纤维完整的结构和规则的排列，影响其机械强度。 [0017] 优选地，所述石墨烯纤维的根数为3000根以上，例如可以是3000根、3500根、4000根、4500根、5000根、5500根、6000根、6500根、7000根、7500根、8000根、8500根、9000根、9500根、10000根等，优选为5000～7000根。 [0018] 优选地，所述石墨烯纤维束为扁平状结构。 [0019] 优选地，所述石墨烯纤维束的径向截面的横截面积为200～700μm2，例如可以是2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、410μm、420μm、430μm 、440μm 、450μm 、460μm 、470μ 2 2 2 2 2 2 2 2 m、480μm、490μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm等。 [0020] 优选地，所述石墨烯纤维束的径向截面的宽度为5～10μm，例如可以是5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.2μm、7.5μm、7.8μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm等。 [0021] 优选地，所述石墨烯纤维束的径向截面的长度为50～70μm，例如可以是50μm、52μm、54μm、56μm、58μm、60μm、62μm、64μm、66μm、68μm、70μm等。 [0022] 优选地，所述石墨烯纤维束的电导率为500S·cm‑1以上，例如可以是500S·cm‑1、‑1 ‑1 ‑1 ‑1 ‑1 ‑1 ‑1520S·cm 、540S·cm 、560S·cm 、580S·cm 、600S·cm 、620S·cm 、640S·cm 、 ‑1 ‑1 ‑1 ‑1 ‑1 ‑1 ‑1 660S·cm 、680S·cm 、700S·cm 、720S·cm 、740S·cm 、760S·cm 、780S·cm 、 ‑1 ‑1 ‑1 800S·cm 、825S·cm 、850S·cm 等。 [0023] 优选地，所述石墨烯纤维束的拉伸强度为200MPa以上，例如可以是200MPa、220MPa、240MPa、260MPa、280MPa、300MPa、320MPa、340MPa、360MPa、380MPa、400MPa、420MPa、 440MPa、460MPa、480MPa、500MPa、520MPa、540MPa、560MPa、580MPa、600MPa、625MPa、650MPa等。 [0024] 第三方面，本发明提供一种如第二方面所述的石墨烯纤维束的制备方法，所述制备方法包括以下： [0025] 以聚丙烯腈溶液作为纺丝液，以氧化石墨烯溶液作为收集浴，进行静电纺丝，得到氧化石墨烯复合纤维； [0026] 将所述氧化石墨烯复合纤维依次进行预氧化处理、碳化处理和石墨化处理，得到所述石墨烯纤维束。 [0027] 在本发明中，提供了一种通过水浴静电纺丝制备石墨烯纤维束的方法；该方法利用水浴静电纺丝，并进一步进行预氧化处理、碳化处理和石墨化处理，所得到的石墨烯纤维束纱线具备高密实度、机械强度高、韧性和导电性好的特点；且所述制备方法简单，易操作，可连续化生产。所得石墨烯纤维束具有较高的强度，良好的韧性和导电性，具有良好的应用前景。 [0028] 优选地，所述聚丙烯腈溶液中聚丙烯腈的质量百分含量为13～20wt％，例如可以是13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％等。 [0029] 优选地，所述聚丙烯腈溶液中的溶剂选自N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)、N,N‑二甲基乙酰胺(DMAc)或N‑甲基吡咯烷酮(NMP)中的任意一种或至少两种的组合。 [0030] 优选地，所述聚丙烯腈的分子量为50000～150000g/mol，例如可以是50000g/mol、60000g/mol、70000g/mol、80000g/mol、90000g/mol、100000g/mol、110000g/mol、120000g/mol、130000g/mol、140000g/mol、150000g/mol等。 [0031] 优选地，所述纺丝液由以下方法配置得到：将聚丙烯腈与溶剂混合，加热搅拌，得到纺丝液。 [0032] 优选地，所述混合的方式为将聚丙烯腈加入到溶剂中。 [0033] 优选地，所述加热搅拌的温度为70～90℃，例如可以是70℃、72℃、74℃、76℃、78℃、80℃、82℃、84℃、86℃、88℃、90℃等；加热搅拌的时间为1～4h，例如可以是1h、1.2h、1.5h、1.8h、2h、2.2h、2.5h、2.8h、3h、3.2h、3.5h、3.8h、4h等。 [0034] 优选地，所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的质量百分含量为0.02～0.5wt％，例如可以是0.02wt％、0.04wt％、0.06wt％、0.08wt％、0.1wt％、0.15wt％、0.2wt％、0.25wt％、0.3wt％、0.35wt％、0.4wt％、0.45wt％、0.5wt％等。 [0035] 优选地，所述氧化石墨烯溶液的溶剂为水。 [0036] 优选地，所述氧化石墨烯溶液中还包括表面活性剂。 [0037] 优选地，所述表面活性剂选自聚乙二醇月桂酸酯、聚乙二醇辛基苯基醚或十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或至少两种的组合。 [0038] 在本发明中，在收集浴中添加上述表面活性剂，一方面，其作为表面活性剂，降低了收集浴的表面张力，使得静电纺丝的聚丙烯腈纳米纤维网能更好的浸润在收集浴中；另一方面，其对氧化石墨烯起了一定的改性作用，提升了氧化石墨烯与聚丙烯腈分子的相互作用力，使得氧化石墨烯片层能更紧密、更多地组装在聚丙烯腈纳米纤维表面，进而提升了石墨烯纤维束的机械性能和导电强度。 [0039] 优选地，所述氧化石墨烯溶液中表面活性剂的质量百分含量为0.5～5wt％，例如可以是0.5wt％、0.6wt％、0.8wt％、1wt％、1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％、2wt％、2.2wt％、2.5wt％、2.8wt％、3wt％、3.2wt％、3.5wt％、3.8wt％、4wt％、4.2wt％、4.5wt％、4.8wt％、 5wt％等。 [0040] 优选地，所述收集浴由以下方法配置得到：将氧化石墨烯分散于水中，再与表面活性剂混合，得到收集浴。 [0041] 优选地，所述混合的方式为将表面活性剂加入到氧化石墨烯水溶液中。 [0042] 优选地，所述混合的温度为10～40℃，例如可以是10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃等；混合的时间为10～24h，例如可以是10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h、24h等。 [0044] 优选地，所述静电纺丝过程中纺丝液推进速度为0.8～2.5mL/h，例如可以是0.8mL/h、1mL/h、1.2mL/h、1.4mL/h、1.6mL/h、1.8mL/h、2mL/h、2.2mL/h、2.4mL/h、2.5mL/h等。 [0045] 优选地，所述静电纺丝过程中针头与收集浴之间的距离为10～25cm，例如可以是10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、22cm、24cm、25cm等。 [0046] 优选地，所述静电纺丝过程中卷绕机的卷绕速度为0.2～1m/min，例如可以是0.2m/min、0.3m/min、0.4m/min、0.5m/min、0.6m/min、0.7m/min、0.8m/min、0.9m/min、1m/min等。 [0047] 优选地，所述静电纺丝过程中加热台的温度为70～120℃，例如可以是70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃等。 [0048] 优选地，所述静电纺丝的具体操作流程为：将聚丙烯腈溶液静电纺丝，并采用氧化石墨烯溶液作为丝网接收装置；丝网在末端卷绕机的牵引下，经过导丝器，在加热台上干燥，最终在卷绕机上收集，得到氧化石墨烯复合纤维。 [0049] 优选地，所述预氧化处理的温度为240～290℃，例如可以是240℃、245℃、250℃、255℃、260℃、265℃、270℃、275℃、280℃、285℃、290℃等。 [0050] 优选地，所述预氧化处理的升温速率为1～5℃/min，例如可以是1℃/min、1.5℃/min、2℃/min、2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min、5℃/min等。 [0051] 优选地，所述预氧化处理的时间2～4h，例如可以是2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h等。 [0052] 优选地，所述碳化处理的温度为800～1500℃，例如可以是800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、 1500℃等。 [0053] 优选地，所述碳化处理的升温速率为1～5℃/min，例如可以是1℃/min、1.5℃/min、2℃/min、2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min、5℃/min等。 [0054] 优选地，所述碳化处理的时间2～4h，例如可以是2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h等。 [0055] 优选地，所述石墨化处理的温度为2500～2800℃，例如可以是2500℃、2550℃、2600℃、2650℃、2700℃、2750℃、2800℃等。 [0056] 优选地，所述石墨化处理的升温速率为5～10℃/min，例如可以是5℃/min、5.5℃/min、6℃/min、6.5℃/min、7℃/min、7.5℃/min、8℃/min、8.5℃/min、9℃/minn、9.5℃/min、10℃/min等。 [0057] 优选地，所述石墨化处理的时间2～4h，例如可以是2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h等。 [0058] 作为本发明优选技术方案，所述通过水浴静电纺丝制备石墨烯纤维束的方法具体包括以下步骤： [0059] S1、纺丝液和收集浴的配置： [0060] 将聚丙烯腈与溶剂混合，在70～90℃下加热搅拌1～4h，得到聚丙烯腈溶液，将其作为纺丝液； [0061] 将氧化石墨烯分散于水中(或将配置好的氧化石墨烯水溶液进行稀释)，再与表面活性剂混合，得到氧化石墨烯溶液；将其作为收集浴。 [0062] S2、静电纺丝： [0063] 将聚丙烯腈溶液静电纺丝，并采用氧化石墨烯溶液作为丝网接收装置；丝网在末端卷绕机的牵引下，经过导丝器，在加热台上干燥，最终在卷绕机上收集，得到氧化石墨烯复合纤维； [0064] 其中，纺丝电压为10～20kV；纺丝液推进速度为0.8～2.5mL/h；针头与收集浴之间的距离控制在10～25cm；卷绕机的卷绕速度在0.2～1m/min；加热台温度为70～120℃。 [0065] S3、高温处理： [0066] 将所述氧化石墨烯复合纤维依次进行预氧化处理、碳化处理和石墨化处理，得到所述石墨烯纤维束。 [0067] 其中，预氧化的温度为240℃～290℃；碳化的温度为800℃～1500℃；石墨化的温度为2500℃～2800℃。 [0068] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果： [0069] (1)本发明中，石墨烯片层组装在纳米纤维表面，形成一种“芯鞘”结构，石墨烯为“鞘”，聚丙烯腈纤维为“芯”。该结构使得石墨烯在纤维表面构建起高效导电通道，使得其具备极佳的导电性。另一方面，石墨烯片层也不会因为其空间位阻，破坏原有聚丙烯腈纤维完整的结构和规则的排列，影响其机械强度； [0070] (2)本发明利用水浴静电纺丝所得纱线具备高密实度的特点，制得的氧化石墨烯‑聚丙烯腈复合纤维克服了单一氧化石墨烯纤维束经还原后得到的石墨烯纤维束疏松、强度较低的缺点，得到一种排列紧密，高机械强度的石墨烯纤维束； [0071] (3)本发明中，收集浴中表面活性剂的加入，一方面，其作为表面活性剂，降低了收集浴的表面张力，使得静电纺丝的聚丙烯腈纳米纤维网能更好的浸润在收集浴中。另一方面，其对氧化石墨烯起了一定的改性作用，提升了氧化石墨烯与聚丙烯腈分子的相互作用力，使得氧化石墨烯片层能更紧密、更多地组装在聚丙烯腈纳米纤维表面，进而提升了石墨烯纤维束的机械性能和导电强度； [0073] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0074] 图1为实施例1提供的石墨烯纤维束表面的扫描电镜图。 [0075] 图2为实施例1提供的石墨烯纤维束截面的扫描电镜图。 [0076] 图3为对比例1提供的聚丙烯腈纳米碳纤维束的扫描电镜图。 具体实施方式[0077] 除非本文另有定义，连同本发明使用的科学和技术术语应具有本领域普通技术人员通常理解的含义。术语的含义和范围应当清晰，然而，在任何潜在不明确性的情况下，本文提供的定义优先于任何字典或外来定义。在本申请中，除非另有说明，“或”的使用意味着“和/或”。此外，术语“包括”及其他形式的使用是非限制性的。 [0078] 需要说明的是，在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。 [0079] 实施例1 [0080] 本实施例提供一种石墨烯纤维束，所述石墨烯纤维束由以下方法制备得到： [0081] S1、纺丝液和收集浴的配置： [0082] 将3.4g聚丙烯腈加入到16.6g DMF中，80℃水浴搅拌2h，使其完全溶解，得到纺丝液； [0083] 取26.6g浓度为1.5wt％氧化石墨烯溶液，通过添加去离子水配置出400g浓度为0.1wt％的氧化石墨烯水溶液；再加入4g聚乙二醇辛基苯基醚，在室温下搅拌12h，得到收集浴。 [0084] S2、静电纺丝： [0085] 将上述纺丝液，转移至注射器中进行静电纺丝，纺丝电压为15kV，纺丝液推进速度为1.5mL/h，采用上述收集浴作为丝网接收装置，针头与收集浴之间的距离为10cm，丝网在末端卷绕机的牵引下，经过导丝器，在加热台上干燥，加热台温度为90℃，最终在卷绕机上收集，卷绕机的卷绕速度为0.35m/min，得到氧化石墨烯复合纤维。 [0086] S3、高温处理： [0087] 将上述所得氧化石墨烯复合纤维依次进行预氧化，碳化和石墨化处理，得到石墨烯纤维束； [0088] 其中，预氧化以2℃/min升温至270℃恒温2h；碳化以3℃/min升温至1200℃恒温2h；石墨化以10℃/min升温至2700℃恒温2h。 [0089] 图1和图2分别为本实施例中石墨烯纤维束的表面和截面的扫描电镜图；从图1中可以看出，纳米纤维表面出现微小的轴向褶皱，表面石墨烯片层沿轴向均匀分布在纳米纤维表面。从图2可以看出，采用水浴静电纺丝制备得到是一种纳米纤维束结构的石墨烯纤维束，石墨烯片层包覆在每一根纳米纤维的表面，所得石墨烯纤维束排列紧密，堆叠良好，因此具备极佳的导电性和力学性能。 [0090] 实施例2 [0091] 本实施例提供一种石墨烯纤维束，所述石墨烯纤维束由以下方法制备得到： [0092] S1、纺丝液和收集浴的配置： [0093] 将3.4g聚丙烯腈加入到16.6g DMF中，80℃水浴搅拌2h，使其完全溶解，得到纺丝液； [0094] 取5.3g浓度为1.5wt％氧化石墨烯溶液，通过添加去离子水配置出400g浓度为0.02wt％的氧化石墨烯水溶液；加入4g聚乙二醇月桂酸酯，在室温下搅拌12h，得到收集浴。 [0095] S2、静电纺丝： [0096] 将上述纺丝液，转移至注射器中进行静电纺丝，纺丝电压为15kV，纺丝液推进速度为1.5mL/h，采用上述收集浴作为丝网接收装置，针头与收集浴之间的距离为10cm，丝网在末端卷绕机的牵引下，经过导丝器，在加热台上干燥，加热台温度为90℃，最终在卷绕机上收集，卷绕机的卷绕速度为0.35m/min，得到氧化石墨烯复合纤维。 [0097] S3、高温处理： [0098] 将上述所得氧化石墨烯复合纤维依次进行预氧化，碳化和石墨化处理，得到石墨烯纤维束； [0099] 其中，预氧化以2℃/min升温至270℃恒温2h；碳化以3℃/min升温至1200℃恒温2h；石墨化以10℃/min升温至2700℃恒温2h。 [0100] 实施例3 [0101] 本实施例提供一种石墨烯纤维束，所述石墨烯纤维束由以下方法制备得到： [0102] S1、纺丝液和收集浴的配置： [0103] 将3.4g聚丙烯腈加入到16.6g DMF中，80℃水浴搅拌2h，使其完全溶解，得到纺丝液； [0104] 取26.6g浓度为1.5wt％氧化石墨烯溶液，通过添加去离子水配置出400g浓度为0.1wt％的氧化石墨烯水溶液；再加入10g聚乙二醇辛基苯基醚，在室温下搅拌12h，得到收集浴。 [0105] S2、静电纺丝： [0106] 将上述纺丝液，转移至注射器中进行静电纺丝，纺丝电压为15kV，纺丝液推进速度为1.5mL/h，采用上述收集浴作为丝网接收装置，针头与收集浴之间的距离为10cm，丝网在末端卷绕机的牵引下，经过导丝器，在加热台上干燥，加热台温度为90℃，最终在卷绕机上收集，卷绕机的卷绕速度为0.35m/min，得到氧化石墨烯复合纤维。 [0107] S3、高温处理： [0108] 将上述所得氧化石墨烯复合纤维依次进行预氧化，碳化和石墨化处理，得到石墨烯纤维束； [0109] 其中，预氧化以2℃/min升温至270℃恒温2h；碳化以3℃/min升温至1200℃恒温2h；石墨化以10℃/min升温至2700℃恒温2h。 [0110] 实施例4 [0111] 本实施例提供一种石墨烯纤维束，与实施例1的区别仅在于，在S1配置收集浴的过程中，将聚乙二醇辛基苯基醚替换为等质量的十二烷基苯磺酸钠的示例，其他步骤与实施例1完全一致。 [0112] 实施例5 [0113] 本实施例提供一种石墨烯纤维束，与实施例1的区别仅在于，静电纺丝过程中的纺丝电压为10kV；纺丝液推进速度为2.5mL/h；针头与收集浴之间的距离控制在25cm；卷绕机的卷绕速度在1m/min；加热台温度为70℃℃，其他步骤与实施例1完全一致。 [0114] 实施例6 [0115] 本实施例提供一种石墨烯纤维束，与实施例1的区别仅在于，静电纺丝过程中的纺丝电压为20kV；纺丝液推进速度为0.8mL/h；针头与收集浴之间的距离控制在10cm；卷绕机的卷绕速度在0.2m/min；加热台温度为120℃，其他步骤与实施例1完全一致。 [0116] 实施例7 [0117] 本实施例提供一种石墨烯纤维束，与实施例1的区别仅在于，预氧化以1℃/min升温至240℃恒温4h；碳化以1℃/min升温至800℃恒温4h；石墨化以5℃/min升温至2500℃恒温4h，其他步骤与实施例1完全一致。 [0118] 实施例8 [0119] 本实施例提供一种石墨烯纤维束，与实施例1的区别仅在于，预氧化以5℃/min升温至290℃恒温2h；碳化以5℃/min升温至1500℃恒温2h；石墨化以10℃/min升温至2800℃恒温2h，其他步骤与实施例1完全一致。 [0120] 对比例1 [0121] 本对比例提供一种聚丙烯腈纤维，所述聚丙烯腈纤维由以下方法制备得到： [0122] S1、纺丝液和收集浴的配置： [0123] 将3.4g聚丙烯腈加入到16.6g DMF中，80℃水浴搅拌2h，使其完全溶解，得到纺丝液；取400g去离子水，作为收集浴。 [0124] S2、静电纺丝： [0125] 将上述纺丝液，转移至注射器中进行静电纺丝，纺丝电压为15kV，纺丝液推进速度为1.5mL/h，采用上述收集浴作为丝网接收装置，针头与收集浴之间的距离为10cm，丝网在末端卷绕机的牵引下，经过导丝器，在加热台上干燥，加热台温度为90℃，最终在卷绕机上收集，卷绕机的卷绕速度为0.35m/min，得到聚丙烯腈纤维。 [0126] S3、高温处理： [0127] 将上述所得聚丙烯腈纤维依次进行预氧化，碳化和石墨化处理，得到高温处理的聚丙烯腈纤维； [0128] 其中，预氧化以2℃/min升温至270℃恒温2h；碳化以3℃/min升温至1200℃恒温2h；石墨化以10℃/min升温至2700℃恒温2h。 [0129] 图3为本对比例中聚丙烯腈纳米碳纤维束的扫描电镜图，如图3所示，该纳米纤维表面光滑且平整。 [0130] 对比例2 [0131] 本对比例提供一种石墨烯纤维束，所述石墨烯纤维束由以下方法制备得到： [0132] S1、纺丝液的配置： [0133] 将3.4g聚丙烯腈、0.05g氧化石墨烯粉末、0.1g聚乙二醇辛基苯基醚加入到16.5g DMF中，80℃水浴搅拌2h，使其完全溶解，得到聚丙烯腈/氧化石墨烯混合液，作为纺丝液；取400g去离子水，作为收集浴。 [0134] S2、静电纺丝： [0135] 将纺丝溶液静置除去气泡，在搭建的电纺装置进行电纺，电纺参数设置：纺丝电压为15kV，纺丝液推进速度为1.5mL/h，接收距离为10cm，加热台温度为90℃，卷绕机的卷绕速度为0.35m/min，随后经实施例1的高温处理，得到石墨烯纤维束(石墨烯为内芯，聚丙烯为鞘层)。 [0136] 对比例3 [0137] 本对比例提供一种石墨烯纤维束，与实施例1的区别仅在于，不进行石墨化处理，其他步骤与实施例1完全一致。 [0138] 对比例4 [0139] 本对比例提供一种石墨烯纤维束，与实施例1的区别仅在于，不进行碳化处理，其他步骤与实施例1完全一致。 [0140] 测试例 [0141] 测试样品：实施例1～8、对比例1～4提供的纤维； [0142] 测试方法： [0143] 伸强度按照GB/T1040‑2006测试，电导率按照GB/T 40007‑2021测试，纤维的横截面积按照GB/T 20307‑2006测量； [0144] 测试结果如下表1所示： [0145] 表1 [0146] ‑1 2样品 电导率/S·cm 拉伸强度/MPa 横截面积/μm 实施例1 633 452 450 实施例2 525 225 352 实施例3 774 579 431 实施例4 440 172 421 实施例5 587 237 271 实施例6 453 252 678 实施例7 567 196 432 实施例8 684 348 471 对比例1 65 10 254 对比例2 66 15 378 对比例3 290 200 464 对比例4 632 370 478 [0147] 由表1测试数据可知，本发明获得的石墨烯纤维束的电导率和拉伸强度都相当高，说明本发明的石墨烯纤维束具备极佳的导电性和力学性能；结合实施例1‑3的数据可知，收集浴中的表面活性剂和氧化石墨烯的含量越高，其性能表现也越好，说明了表面活性剂确实对氧化石墨烯起了一定的改性作用，提升了氧化石墨烯与聚丙烯腈分子的相互作用力，进而提升材料性能；结合对比例的数据可知，使用纯水浴制备单一的聚丙烯腈纳米碳纤维束，所得碳纤维导电率不高，机械性能极差，若将水浴换成氧化石墨烯水溶液，所得石墨烯纤维束的电导率和机械强度都能远超碳纤维束。 [0148] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |
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