CN105603581B - 一种快速响应的石墨烯纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速响应的石墨烯纤维及其制备方法。方法为：将氧化石墨烯膜以0.1‑1℃/min的速率升温到500‑800℃，保温0.5‑2h，再以1‑3℃/min的速率升温到1000‑1300℃，保温0.5‑3h，然后以5‑8℃/min的速率升温到2000‑3000℃，保温0.5‑4h，得到石墨烯膜，再均匀卷绕后，得到石墨烯纤维；该纤维在安全电压0.5V‑5V下可以在很短时间1s‑20s内实现对高温30℃‑420℃的快速响应，石墨烯纤维可以缠绕在加热体上，也可以编织成电热布使用，克服传统电热材料升温慢、施加电压高等缺点，是优良的电热材料，具备工业化前景。

Description

一种快速响应的石墨烯纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种快速响应的石墨烯纤维及其制备方法。

背景技术

2004年英国曼彻斯特大学安德烈.吉姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授采用微机械剥离法首次分离出二维石墨烯晶体，并且因为在二维石墨烯材料上的开创性实验获得2010年的诺贝尔物理学奖，由此石墨烯材料引起全世界科学家们广泛的研究。石墨烯具有高断裂强度和杨氏模量，电学性能优异。石墨烯具有共轭结构，表现出丰富的化学性质，可以通过不同的化学反应来进行表面修饰，得到一系列化学衍生物。石墨烯材料具有超高热导率，实验值达到5000W/mK，可以作为优异的电热材料。传统电热材料如镍铬合金，存在成本高，密度大，质量重，易变形和加工工艺复杂等缺点，不适用于不规则的底物，而石墨烯材料柔韧性好，质量轻，制作工艺简单，加热速率快，热响应温度高，可以用于各种形状的底物，并且可以制作只能人体发热织物，用于红外治疗等，有希望替代传统电热材料广泛应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种快速响应的石墨烯纤维及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种快速响应的石墨烯纤维，所述纤维为由石墨烯纳米片组成的双阿基米德螺旋结构，片层间距为0.336nm，纤维的碳氧比为52.66-98，XRD衍射峰位置为26.4°。

一种快速响应的石墨烯纤维的制备方法，它的步骤如下：

(1)制备厚度为0.8～50μm的氧化石墨烯膜；

(2)以0.1-1℃/min的速率升温到500-800℃，保温0.5-2h，再以1-3℃/min的速率升温到1000-1300℃，保温0.5-3h，然后以5-8℃/min的速率升温到2000-3000℃，保温0.5-4h，；

(3)将步骤3热处理后的石墨烯膜裁剪成石墨烯条，将石墨烯条一端固定，另一端与转速为50-250转/min的转子相连，沿径向卷绕1-5mim后，得到快速响应的石墨烯纤维。

进一步地，所述步骤(1)中的氧化石墨烯膜将氧化石墨烯的水溶液通过真空抽滤法，旋涂法，喷涂法或者铺膜等方法中的一种制备得到。

进一步地，所述氧化石墨烯通过天然石墨化学氧化剥离法获得。

本发明与传统的加热元件镍铬合金等相比，石墨烯纤维可以在较短时间内实现对高温的快速响应，原因是石墨烯的热容很小，而且热质量也很小，产生的热不能大量聚集而产生热消散，通过高温处理后，大量的含氧官能团被除去，共轭结构得到恢复，导电性能得到很大的提高。进一步通过卷绕，使得石墨烯纤维的内部空隙逐渐被挤出，石墨烯纤维具有紧密的卷绕结构，因此电阻变小，从而使得石墨烯纤维具有更好的电热效应。在相同的电压下，升温速率和饱和温度都有显著提高。在安全电压0.5V-5V下可以在很短时间1s-20s内实现对高温30℃-420℃的快速响应。有益效果在于：

1.石墨烯的原料为石墨，成本低廉，原料广泛易得。

2.石墨烯纤维的长度和直径可控，易于制备。

3.克服传统电热材料脆性的缺点，可以任意弯折和依附在底物上。

4.与传统电热材料相比，具有超高的加热速率和降温速率，超高的温度响应。

5.石墨烯纤维的工作电压较低，可以用于人体。

6.石墨烯纤维可以单根使用或者编织成织物，作为电热布使用。

附图说明

图1纤维的SEM图；

图2为沿径向卷绕的示意图；

图3为石墨烯纤维的红外热像图的灰度图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种快速响应的石墨烯纤维，所述纤维为由石墨烯纳米片组成的双阿基米德螺旋结构(结构可参考文献Biscrolling Nanotube Sheets and FunctionalGuests into Yarns)，片层间距为0.336nm，纤维的碳氧比为52.66，XRD衍射峰位置为26.5°。

本发明一种超级可拉伸的高导电的石墨烯纤维的制备方法，步骤如下：

(1)通过天然石墨化学氧化剥离法获得氧化石墨烯，制备厚度为0.8～50μm的氧化石墨烯膜；

(2)把步骤1制备的厚度为0.8～50μm的氧化石墨烯膜，按照表1～表3所示的方式进行热处理，得到石墨烯膜。

(3)将步骤2处理后的石墨烯膜裁剪成石墨烯条，将石墨烯条一端固定，另一端与转速为80转/min的转子相连，沿径向卷绕3min后(一端固定，另一端在转子带动下不断转动，类似于搓麻绳，如图2所示)，不同热处理方式得到的各个产物的电学性能见表1～表3。

其中步骤(1)中的氧化石墨烯膜可通过真空抽滤法，旋涂法或者喷涂法等方法中的一种制备得到。

表1

表2

表3

从表1～表3中可以看出，本材料的电热性能主要由内部氧化石墨烯片结构修复情况，即官能团的脱落以及高温下碳共轭结构的修复决定。

表1中，通过比较A1\B1\C1\D1\E1，A1的温度过低，不足以除去大部分易降解的官能团，导致第二步高温过程中气体大量快速产生，在高温下撕裂片层结构；E1温度过高，产生气体过快，会大量撕裂材料内部结构，两者都会使得材料性能变差。唯有在B1、C1、D1温度下，官能团会缓慢并彻底清除，以保障材料性能。通过比较C1\F1\G1\H1，F1升温速率过低，气体释放过于缓慢；H1升温过程过快，气体释放过快，撕裂材料内部结构，不利于形成传输通道。通过比较C1\I1\J1\K1\L1\M1，I1保温时间过短，不能保证大部分官能团的降解；M1保温过程过长，会吸收炉子里面的焦油，不利于性能的提升。J1、K1、L1正好避免了以上上述两种不利条件

表2中，通过比较A2\B2\C2\D2\E2，A2升温速率过低，严重影响电热性能。E2升温速度过高，会撕裂石墨烯层间结构，使得性能变差。唯有B2、C2、D2的升温速度下，才会有才能既保证结构又保证石墨烯的导电性。通过比较C2\F2\G2\H2，F2温度过低，使得稳定的官能团不能充分脱离，在后续石墨化的过程中容易过渡释放气体，破坏内部结构；通过比较C2\I2\J2\K2\L2\M2，I2保温时间过短，稳定的官能团不能充分脱落；M2时间过长，石墨烯容易吸附焦油，不利于石墨烯性能的提升；而C2、J2、K2条件下既可以保证稳定官能团的充分脱落，又能避免焦油的困扰。

表3中，通过比较A3\B3\C3\D3\E3，A3升温速率过低，最稳定官能团脱落的过慢，不利于导电网络的形成；E3升温过程过快，气体释放以及高温膨胀过快，容易破坏结构。只有B3、C3、D3的情况下，导电网络的石墨烯才能稳定的形成，石墨烯上的结构才能缓慢的修复。通过比较C3\F3\G3\H3\I3，F3终点温度过低，石墨烯结构修复不够完善，所以各种性能都很差；I3终点温度过高，石墨烯会被汽化掉；C3、G3、H3的温度下才能既保证石墨烯结构的修复，又不会被汽化掉。通过比较C3\J3\K3\L3\M3，J3保温时间过低，石墨烯结构不能充分修复，M3保温时间过长，也会使得吸附炉体里的焦油，影响性能。

Claims (3)

1.一种快速响应的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，它的步骤如下：

（1）制备厚度为0.8~50μm的氧化石墨烯膜；

（2）以0.1-1℃/min的速率升温到500-800℃，保温0.5-2h，再以1-3℃/min的速率升温到1000-1300℃，保温0.5-3h，然后以5-8℃/min的速率升温到2000-3000 ℃，保温0.5-4h；

（3）将步骤2热处理后的石墨烯膜裁剪成石墨烯条，将石墨烯条一端固定，另一端与转速为50-250转/min的转子相连，沿径向卷绕1-5min时间后，得到快速响应的石墨烯纤维。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的氧化石墨烯膜将氧化石墨烯的水溶液通过真空抽滤法，旋涂法，喷涂法或者铺膜中的一种制备得到。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯通过天然石墨化学氧化剥离法获得。