【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及石墨烯制备领域，特别涉及一种均匀高刚度石墨烯纤维及其制备方法。
技术介绍
1、石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，具有优异的力学、电学、热学和光学特性。将石墨烯片层沿一维方向紧密有序排列，可以制备宏观的高性能石墨烯纤维，在航空航天、生物传感、智能织物等领域有重要的应用前景。虽然小直径（直径≤10 μm）石墨烯纤维的力学强度可达3.2 gpa，但是小直径导致纤维的抗弯刚度≤2×10-5 n mm²，不耐弯曲和压缩，难以应用在复杂的实际受力环境。提高石墨烯纤维抗弯刚度的有效方法之一，是增大纤维直径的同时确保内部片层的致密性和高取向度。目前，主要通过增大纺丝头直径来增大纤维直径。然而，该方法面临诸多问题。例如，凝胶纤维在凝固浴中双扩散的过程以及后续的碳化处理会形成严重的皮芯结构，内部片层相对皮层更疏松，密度小；由于芯部氧化石墨烯片层所受管壁剪切力较弱，导致芯部片层取向较差，抗弯刚度低于6×10-4 n mm²；此外，纤维径向及轴向结构不均匀，存在严重的尺寸效应，即随着纤维轴向、径向尺寸的增大，纤维的性能急剧衰减。虽然目前已有通过丝束拉伸集成的粗纤维，仍存在着截面不均匀，纤维内部不够致密等问题，严重影响了大直径纤维的性能。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术通过丝束拉伸集成的粗纤维存在截面不均匀，纤维内部不够致密的问题，提供了一种石墨烯纤维的制备方法。
2、本专利技术首次提出针对还未完全干燥的初生丝进行溶胀，解决了成
3、其次，通过调节溶胀浴溶液极性，设置多级逐级减弱溶胀浴，在反复湿融分裂的过程中，优化丝束轴向和径向结构的均匀度和致密性，避免了直接湿纺造成的皮芯结构和刚度下降。通过拉伸化学还原浴和特制的微波辅助热还原方法，实现碳氧比≥25的高度还原。通过本专利技术方法所制备的石墨烯纤维，直径大于20 μm，截面呈规整圆形，均匀致密，取向度高，刚度高，不同直径及测试长度的拉伸强度标准偏差≤0.095，抗弯刚度达1.02 n mm²。并且制备过程连续、收丝效率高，所制得的石墨烯纤维具有大直径、轴向及径向均匀、致密、抗弯刚度高等特点，在航天器骨架、生物电极、建筑材料等方面有极其重要的应用价值。
4、本专利技术的技术方案之一在于提供一种均匀高刚度石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
5、(1)将氧化石墨烯分散液通过多孔纺丝头挤入凝固浴，获得初生氧化石墨烯丝束；
6、(2)将上述初生氧化石墨烯丝束送入第一道溶胀浴进行溶胀，拉出干燥，得到初生湿融氧化石墨烯纤维；
7、(3)继续进行两次及以上溶胀浴，进行溶胀重排，拉出干燥，得到均匀致密，片层取向充分的氧化石墨烯纤维；所述溶胀浴溶剂极性逐次减弱，以此来调节纤维溶胀程度；
8、(4)将上述片层取向充分的氧化石墨烯纤维通过滚轴连续送入化学还原浴、微波辅助热还原筒，得到均匀高刚度石墨烯纤维。
9、进一步地，步骤1中所述多孔纺丝头孔数≥10，孔直径为60 μm-240 μm。
10、进一步地，步骤1中所述的凝固浴为氧化石墨烯不良溶剂，且与氧化石墨烯分散液互溶。
11、进一步地，所述溶胀浴包括乙醇、丙酮、异丙醇、乙酸乙酯、甲醇、水、丙三醇、丙二醇、乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、五乙二醇、甲酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸、乙二酸、 丙二酸、丁二酸、丙烯酸中的一种或多种。
12、进一步地，步骤4中所述化学还原浴包括乙酸、三氟乙酸、维生素c、氢碘酸、水合肼中的一种或多种。
13、进一步地，步骤4所述化学还原浴在化学还原池中进行，化学还原池配有并排多级滚轮，充分提高纤维的拉伸比和还原时间，拉伸比高达10 %，还原后纤维的碳氧比≥12，确保了还原纤维的高抗弯刚度。
14、进一步地，步骤4所述微波辅助热还原筒，温度为100 ℃-350 ℃，微波功率为100w-800 w，高温与微波的双重还原作用进一步提高纤维的还原度，还原后纤维的碳氧比≥25，进一步提高了抗弯刚度。
15、进一步地，步骤3中所述的反复湿融分裂的过程可逐步提高滚轴的牵伸速度，使纤维束在此致密化过程同时实现一定程度的拉伸，提高取向度。
16、本专利技术的技术方案之二在于提供一种上述制备方法制备的均匀高刚度石墨烯纤维。
17、本专利技术所制备的石墨烯纤维直径≥20 μm，不同直径及测试长度的拉伸强度标准偏差≤0.095，弯曲刚度高达1.02 n mm²，拉伸强度大于2.5 gpa，断裂伸长率为1 %-2.5 %，石墨烯纤维不同直径的密度大于1.8 g cm-3，取向度大于8.5。
18、本专利技术与现有技术相比，具有的优势如下：
19、1）利用逐级减弱的溶胀过程，反复湿融分裂。通过分裂重排过程，优化内部片层取向，提高均匀度和致密度。
20、2）针对未被充分干燥的初生丝在连续纺丝线上立即进行溶胀，初生丝在浸没溶胀浴之后，由于片层处于未完全堆叠状态，氧化石墨烯片与片间能实现更好的溶剂浸入，能最大程度诱导片成重排。且溶剂的充分浸入致使纤维充分溶胀成表面无褶皱状态，纤维与纤维间表面能充分发生贴合，在干燥过程中重新生成范德华力作用下的π-π堆叠，得到整体致密高取向的大直径氧化石墨烯纤维。
21、3）利用配有并排多级滚轮的化学还原浴和特制的微波辅助热还原筒，实现对纤维的连续、碳氧比≥25的高度还原。制备还原过程连续一体化，便于规模化扩大生产。
22、4）所制备的纤维能在直径任意增大的情况下保证内部片层高取向及致密度，纤维截面呈规整圆形，轴向及径向均匀。
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1.一种均匀高刚度石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中所述多孔纺丝头孔数≥10，孔直径为60 μm-240 μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶胀浴包括乙醇、丙酮、异丙醇、乙酸乙酯、甲醇、水、丙三醇、丙二醇、乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、五乙二醇、甲酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、丙烯酸中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中所述化学还原浴包括乙酸、三氟乙酸、维生素C、氢碘酸、水合肼中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4所述微波辅助热还原筒，温度为100 ℃-350 ℃，微波功率为100 W-800 W。
6.一种如权利要求1-5任一项所述方法制备的均匀高刚度石墨烯纤维。
7.根据权利要求6所述的均匀高刚度石墨烯纤维，其特征在于，纤维直径≥20 μm。
8.根据权利要求6所述的均匀高刚度石墨烯纤维，其特征在于，所述石墨烯纤维密
...【技术特征摘要】
1.一种均匀高刚度石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中所述多孔纺丝头孔数≥10，孔直径为60 μm-240 μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶胀浴包括乙醇、丙酮、异丙醇、乙酸乙酯、甲醇、水、丙三醇、丙二醇、乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、五乙二醇、甲酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、丙烯酸中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中所述化...
【专利技术属性】
技术研发人员：高超，张祎玮，畅丹，许震，刘英军，
申请(专利权)人：山西浙大新材料与化工研究院，
类型：发明
国别省市：
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