【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新材料领域，涉及一种石墨纤维及其制备方法。
技术介绍
1、在新兴材料领域中，直径范围在数十至数百微米的连续长纤维，凭借其卓越的机械性能，在众多高科技及传统工业领域中展现出了广泛的应用潜力。
2、长期以来，具有非凡机械性能的长纤维主要依赖于人工合成的聚合物纤维，例如聚丙烯腈纤维和凯夫拉(kevlar)纤维等。这些合成纤维通过精密的化学合成和复杂的加工过程，实现了高强度、高模量等特性，从而满足了多种高端应用的需求。然而，随着环保意识的日益增强，人工合成聚合物纤维在生命周期结束后难以降解的问题逐渐凸显，对环境造成了不可忽视的负面影响。相比之下，生物来源纤维具有更好的可生物降解性、可再生性、低密度及来源广泛等特性，为纤维的定制化和多元化应用提供了更多可能，但目前，生物来源纤维仍然受制于其相对较弱的机械性能。
3、除了以上问题外，对于长纤维自身的机械性能而言，强度和韧性这两种性质往往呈现出相互排斥的趋势。一般来说，要达到足够高的强度，往往需要以牺牲其伸长率和韧性为代价。因此，如何解决强度和韧性相矛盾的缺陷，以更好地兼顾高拉伸强度、大伸长率及韧性，也是研究者们关注的重点。
4、石墨纤维作为一种新型高性能纤维材料，近年来受到了广泛的关注和研究。石墨纤维以其独特的石墨结构和高导电、高热导等特性，在电子、能源、航空航天等领域展现出巨大的应用潜力。特别是在机械性能方面，石墨纤维具有能够兼顾高强度和高韧性的巨大潜力，这主要得益于其内部石墨材料(如石墨烯及氧化石墨烯等)的排列和取向，而这些因素又直接与石
5、目前，行业内已发展出了多种有效的制备方法。其中，湿法纺丝以其工艺简单、成本低廉、易于规模化生产等优势，成为较为广泛的大规模实际应用的方案之一。湿法纺丝制备石墨烯纤维的一般过程包括氧化石墨烯分散液的制备、纺丝原液的配制、纺丝过程、初生纤维的凝固与洗涤，以及后续的热处理或化学还原等步骤。通过这些步骤，可以制备出具有一定长度和直径的石墨烯纤维。
6、然而，湿法纺丝制备石墨烯纤维的过程中仍存在一些亟待解决的问题。首先，由于氧化石墨烯具有不规则的尺寸和形状，以及石墨烯层间界面作用力较弱的特点，导致纺丝原液在凝固浴中凝固时双扩散进程较慢，容易引入大量缺陷和空洞。这些缺陷和空洞会严重影响宏观纤维的力学性能和电学性能，使其与单片石墨烯材料的性能存在显著差异。其次，虽然通过外力的牵伸可以提升石墨烯基元在纤维中的取向度和密实度，从而提升纤维的机械性能和电化学性能，但对于一维的石墨纤维来说，牵引拉伸时的牵引外力较难精确控制到每一片石墨烯层片上。此外，石墨烯层片在牵伸过程中容易发生褶皱和滑移，导致纤维粗细不均，难以实现石墨烯片层的规则排列和高度致密化。这些问题极大阻碍了石墨烯微观优异性能向宏观纤维材料的传递，使得石墨烯纤维的实际应用受到限制。
7、因此，针对湿法纺丝制备石墨烯纤维过程中存在的问题，尚需要对石墨纤维及其制备方案进行更深入的研究和开发。以进一步实现高强度和高韧性的兼顾，为推动石墨纤维在更多领域的应用和发展提供支持。
技术实现思路
1、鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种石墨纤维及其制备方法，所述制备方法包括将剥离石墨烯、纤维素分散液以及海藻酸盐分散液混合，得到纺丝原液；再将所述纺丝原液挤入到凝固浴中，干燥后得到所述石墨纤维。通过使用纤维素分散液来稳定剥离石墨烯，有效地分散和剥离石墨片层；同时纤维素具有天然的网状结构，可对剥离石墨烯进行改性而获得初步纤维结构；采用海藻酸盐为液晶诱导剂，以生成剥离石墨烯/海藻酸钠向列型液晶，可有效提升石墨烯层片的取向度和密实度，同时引入湿法纺丝的凝固浴使得剥离石墨烯/海藻酸钠发生交联，得到石墨纤维。所述制备方法可有效解决人造纤维结构材料强度和韧性相矛盾的问题，所得剥离石墨烯-纤维素-海藻酸盐复合大纤维兼顾良好机械性能以及导热性能。
2、为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供了一种石墨纤维的制备方法，包括：
4、(1)将剥离石墨烯、纤维素分散液以及海藻酸盐分散液混合，得到纺丝原液；
5、(2)将所述纺丝原液挤入凝固浴中，然后干燥，得到所述石墨纤维。
6、本专利技术发现通过加入纤维素分散液可以有效稳定剥离石墨烯，纤维素与石墨片层之间的相互作用能够有效地分散和剥离石墨片层；同时纤维素具有天然的网状结构，添加使用纤维素后，可以凭借纤维素作为基体，对剥离石墨烯进行改性，可以获得初步的纤维结构。然后采用天然多糖材料海藻酸盐材料为液晶诱导剂，仅须添加少量的海藻酸盐即可生成剥离石墨烯/海藻酸盐向列型液晶，可有效提升石墨烯层片的取向度和密实度。然后通过引入湿法纺丝的凝固浴使得剥离石墨烯/海藻酸钠发生交联反应，进而形成稳定体系来交联固定石墨烯层片，得到石墨纤维产品。所述制备及方法得到的石墨纤维是一种剥离石墨烯-纤维素-海藻酸盐复合大纤维，其兼顾优异的机械性能以及导热性。通过本专利技术这种“湿法取向法”可以使所得石墨纤维的表面粗糙度降低，孔隙率减少，改善了层片的取向度，提升了石墨纤维的电学、力学性能，可以解决目前人造纤维结构材料强度和韧性相矛盾的缺陷。
7、需要进一步说明的是，本专利技术中纤维素分散液是指将纤维素在溶剂中进行分散后得到的物质，例如可以是水或乙醇等，所述溶剂的种类不受限制，只要能将纤维素分散即可。
8、需要进一步说明的是，本专利技术中海藻酸盐分散液是指将海藻酸盐在溶剂中进行分散后得到的物质，例如可以是水或乙醇等，所述溶剂的种类不受限制，只要能将纤维素分散即可。
9、需要进一步说明的是，本专利技术中剥离石墨烯/海藻酸盐向列型液晶是指向列型液晶是纺丝原液在挤压力的作用下，海藻酸钠诱导石墨片层的方向沿着垂直截面的方向生长排列。
10、以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。
11、作为本专利技术优选的技术方案，制备所述剥离石墨烯的方法包括：
12、(1)将石墨原料进行预氧化热处理，得到氧化石墨；
13、(2)将所述氧化石墨与剥离剂分散液混合后，进行砂磨，离心处理，得到剥离石墨烯。
14、作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)中，步骤(1)中，在所述纺丝原液中，以剥离石墨烯、纤维素及海藻酸盐的总质量为100％计，剥离石墨烯的质量占49％～80％，例如可以是49％、50％、53％、55％、58％、60％、62％、65％、68％、70％、75％、78％或80％等；纤维素的质量占1％～2％，例如可以是1％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％、1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％或2％等；海藻酸盐的质量占19％～49％，例如可以是19％、20％、23％、25％、28％、30％、32％、35％、38％、40％、42％、45％或49％等，但并不仅限于已列举的数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种石墨纤维的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备所述剥离石墨烯的方法包括：
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在所述纺丝原液中，以剥离石墨烯、纤维素及海藻酸盐的总质量为100％计，剥离石墨烯的质量占49％～80％，纤维素的质量占1％～2％，海藻酸盐的质量占19％～49％；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述凝固浴中使用交联助剂分散液；
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述石墨原料包括回收石墨、膨胀石墨、氧化石墨或天然鳞片石墨中的至少一种；
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述预氧化热处理的温度为400～500℃，时间为3～7h；
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述剥离剂分散液中的剥离剂包括纤维素；
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述砂磨的时间为10～180min；
9.根据权
10.一种石墨纤维，其特征在于，所述石墨纤维由如权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。
...【技术特征摘要】
1.一种石墨纤维的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备所述剥离石墨烯的方法包括：
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在所述纺丝原液中，以剥离石墨烯、纤维素及海藻酸盐的总质量为100％计，剥离石墨烯的质量占49％～80％，纤维素的质量占1％～2％，海藻酸盐的质量占19％～49％；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述凝固浴中使用交联助剂分散液；
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述石墨原料包括回收石墨、膨胀石墨、氧化石墨或天然鳞片石墨...
【专利技术属性】
技术研发人员：穆大伟，张淼，何浩，钱程，冯志强，李旦，彭纪元，刘荣钦，管柯东，李文凯，
申请(专利权)人：湖南中科星城石墨有限公司，
类型：发明
国别省市：
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