【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及石墨烯纤维材料，具体为一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法。
技术介绍
1、碳质纤维材料因其轻质、耐疲劳、卓越的机械强度和热/电传输性能被广泛应用于国防军工、航空航天、运动器材等领域。当前的工业化碳纤维一般通过碳化/石墨化前驱体黏胶、沥青或聚丙烯腈得到，该类方法得到的碳纤维其基本构成单元为小于20nm的微晶石墨，因其晶界较多，导致其实际密度和强度均未达到理论值(实际：1.80g/cm3，7gpa；理论：2.266g/cm3，180gpa)，此外，其热/电传输性能也较为有限。而石墨烯，作为一种从石墨晶体剥离的、由二维六方单层sp2杂化碳原子构成大片层材料，尺寸可到几微米甚至数十微米，具备优异的力学性能(强度～130gpa，模量1.1tpa)、电学性能(电导率108s/m，载流子迁移率200000cm2/v/s，载流能力1～2ga/cm2)、热学性能(导热系数5300w/(m·k))以及卓越的稳定性。若将其由纳米片层组装成宏观石墨烯纤维，得到具备更大尺寸结晶石墨结构的碳基纤维，有望将其在纳米尺度优异的力、电、热学性能遗传到宏观尺度，从而突破现有工业化碳纤维尚且有限的机械强度和热电性能。
2、由于石墨烯本身难以找到一种合适的溶剂来分散，使其形成纺丝所需浓度的纺丝液，因此石墨烯纤维通常是利用可以在水和其他常用溶剂中分散并可形成液晶相的氧化石墨烯(go)作为前驱体，纺丝后通过还原过程得到石墨烯纤维。当前，石墨烯纤维的制备工艺主要包括湿法纺丝、干法纺丝、水热还原组装法、薄膜卷绕法、模板辅助cvd法等。其中，通过干纺
3、自2011年xu等在文献graphene chiral liquid crystals and macroscopicassembled fibres中首次利用液晶go制得拉伸强度140mpa、杨氏模量7.7gpa的石墨烯纤维后，大量的学者致力于通过改进优化纺丝过程，不断的突破提高得到更优力、电、热等性能的石墨烯纤维，以期实现石墨烯纤维理论上超越工业化碳纤维的机械和热电性能。
4、经探究，石墨烯纤维的强度主要受前驱体go尺寸、片层规整性、取向度、界面相互作用等参数的影响。其中，go的尺寸愈大，液晶倾向愈大，预取向排列愈明显，从而给石墨烯纤维带来更高的强度和模量；此外，go尺寸的增大也有利于降低缺陷点位数量，从而提升石墨烯纤维的强度。xiang等在文献large flake graphene oxide fibers withunconventional 100％knot efficiency and highly aligned small flake grapheneoxide fibers中通过比较20μm和9μm的go纺出的石墨烯纤维机械性能，发现大尺寸go纺制的石墨烯纤维相较于小尺寸的，强度高78％、弹性模量高88％且断裂伸长高178％。然而，大尺寸go虽然会提升石墨烯纤维的强度，但其会产生片层卷曲而产生微孔，此片层规整性的不良影响了其纤维的机械性能进一步提高。因此在文献highly thermally conductiveand mechanically strong graphene fibers.science中记载到在大片层go的基础上，利用小片层go填充前者产生微孔和间隙，藉此将纤维的力学强度提升至1.08gpa。
5、由于研究发现石墨烯纤维与化纤类似，其片层沿纤维轴向取向度越高，纤维的强度与模量越大。因此，有研究者提出了同时去除go褶皱和提高go取向度的方法。xin等在文献microfluidics-enabled orientation and microstructure control of macroscopicgraphene fibres中提到通过纺丝液流道的特殊设计实现了go微流体的定向控制，得到了取向度0.94、致密无微孔的石墨烯纤维，强度高达1.9±0.1gpa、模量309±16gpa。li等在文献highly crystalline graphene fibers with superior strength andconductivities by plasticization spinning中通过插入适量增塑剂来实现go纤维的后道拉伸，石墨化后得到了取向度0.97，强度高达3.4±0.07gpa的石墨烯纤维。此外，由于石墨烯片层之间由于易产生滑移，因此增强石墨烯片层之间的相互作用力也是一种提升石墨烯纤维力学性能的有效方法。xu等在文献ultrastrong fibers assembled from giantgraphene oxide sheets中利用ca2+交联go羧基基团，利用离子键增强石墨烯片层的相互作用，提升了石墨烯纤维的强度。目前石墨烯纤维的最高拉伸强度和弹性模量为3.4gpa和341.7gpa，而碳纤维最高拉伸强度和弹性模量为7.15gpa和600gpa。石墨烯纤维理论上应当比碳纤维更强的机械性能仍远远未能达到，因此，石墨烯纤维的制备工艺仍然需要继续优化，尝试寻找其他能改善石墨烯纤维性能的途径。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，为石墨烯纤维的制备工艺提供新的思路。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，包括以下具体步骤：
3、s1纺丝液的制备：制备并配制氧化石墨烯纳米带溶液，添加增塑剂得到纺丝液；
4、s2近场静电纺丝和多级联合牵伸：将纺丝液通过0.2～1mm的喷丝口，注入静电纺丝装置中，经近场静电纺丝和空气固化后，在凝固浴中固化成形，得到基础的氧化石墨烯纤维；将多根纤维在玻璃棒的引导下，在凝固浴中组装成纳米纤维复丝后进入后道多级联合牵伸工序，通过调整牵伸级数和各级牵伸比，以去除go褶皱、提高取向度，制得go纤维集合体；
5、s3赖氨酸-多巴胺(lys-dopa)浴：将go纤维集合体浸入lys-dopa溶液中，调节lys-dopa溶液的浓度和反应时间，改善go纤维内部的褶皱情况，最后通过加捻工艺收集；
6、s4还原过程：用氢碘酸还原收集的go纤维，得到还原石墨烯纤维，随后高温石墨化处理，使go上的原子缺陷恢复并生成石墨微晶，使lys-dopa热解转化为富含氮的石墨结构，同时去除增塑剂，石墨化处理后得到石墨烯纳米纤维束产物。
7、优选的，上述步骤s1中，氧化石墨烯纳米带溶液浓度为5～15g/l，石墨烯纳米带长度为3～10μm，宽度为50～100nm，增塑剂采用聚丙烯酸钠，添加本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
2.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，氧化石墨烯纳米带溶液浓度为5～15g/L，石墨烯纳米带长度为3～10μm，宽度为50～100nm，增塑剂采用聚丙烯酸钠，添加后浓度为0.1～0.5g/L。
3.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，静电纺丝采用10mL注射器作为电纺液储存器，采用规格为20～30G的3～8个不锈钢注射针头，同时制备3～8根石墨烯纤维以形成复丝，电纺液流速由微量注射泵控制，采用平板接收纤维；注射针头外有一圈辅助电极控制不同针头之间的电场干扰，降低GO纤维在电场力下牵伸过程中的不稳定性，辅助电极的电压为10～30kV。
4.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的静电纺丝工艺参数包括：推进速率为0.5～4mL/h，电压为10～30kV，针头与凝固浴液面的距离为0.5～5cm，纺丝时间为0.1～2h，并始终保持3～
5.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，多级联合牵伸的牵伸级数为2～5级，牵伸辊的牵伸速度为10～30cm/min。
6.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，Lys-Dopa溶液的浓度为1～5mg/ml，反应时间为1～3h。
7.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，氢碘酸还原在90℃下还原12h。
8.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，石墨化处理的条件为在氩气流中以10℃/min的速率加热至3000℃并保持一小时。
9.一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于：所述制备方法中包括凝固浴后浸入Lys-Dopa溶液的步骤，或/和还原成石墨烯纤维前采用多根石墨烯纤维加捻成束的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
2.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中，氧化石墨烯纳米带溶液浓度为5～15g/l，石墨烯纳米带长度为3～10μm，宽度为50～100nm，增塑剂采用聚丙烯酸钠，添加后浓度为0.1～0.5g/l。
3.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，静电纺丝采用10ml注射器作为电纺液储存器，采用规格为20～30g的3～8个不锈钢注射针头，同时制备3～8根石墨烯纤维以形成复丝，电纺液流速由微量注射泵控制，采用平板接收纤维；注射针头外有一圈辅助电极控制不同针头之间的电场干扰，降低go纤维在电场力下牵伸过程中的不稳定性，辅助电极的电压为10～30kv。
4.根据权利要求1所述的一种连续的石墨烯纳米纤维束的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中的静电纺丝工艺参数包括：推进速率为0.5～4ml/h，电压为10～30kv，针头与凝固浴液面的距离为0.5～5cm，纺丝时间为0....
【专利技术属性】
技术研发人员：李梦雨，陈杰，徐春宇，陈文苗，裴晓东，邓翔，朱叶峰，杜卓林，申保金，王凡，钱有军，
申请(专利权)人：中钢天源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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