CN109205595A - 高导电柔性石墨烯管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导电柔性石墨烯管及其制备方法,该方法包括以下步骤:(1)调整作为沉积衬底的高分子聚合物纤维束的纤维间间隙;(2)静电喷涂氧化石墨烯;(3)复合材料浸泡GaCl2溶液中增强纤维的机械性能;(4)氧化石墨烯化学预还原;(5)高温热处理:完全还原氧化石墨烯,去除样品中的沉积衬底即得石墨烯管。该石墨烯管具有较大的比表面积,且具有较高的导电性和柔性,在反复弯折后能保持导电性能稳定,该材料制备方法简单,成本低,具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯材料制备技术领域,具体涉及高导电柔性石墨烯管及其制备方法。
背景技术
近年来,随着智能可穿戴设备的兴起,基于柔性纤维制备的柔性可穿戴设备受到广泛的关注,如碳基纤维柔性超级电容器、碳基纤维柔性气体传感器等。采用高比表面积和高导电性的纤维制成的柔性可穿戴设备往往具有较优越的性能。因此,高导电的柔性纤维的研发成为柔性器件领域的一大热点。石墨烯作为一种单层的二维碳原子晶体,具有极高的导电性、导热性和机械强度,并视为组装宏观高导电柔性中空纤维的最佳材料。然而到目前为止,仅有几种制备中空石墨烯纤维的制备方法被报道出来,主要包括受限热致凝胶化法、湿纺法和电泳沉积制备、化学气相沉积等,如中国专利CN2012105795275“一种氧化石墨烯和石墨烯中空纤维的制备方法”公开了一种采用同轴针头湿法纺丝制备石墨烯中空纤维的方法。但是,现有方法在制备高导电柔性中空石墨烯纤维上仍然存在着不足之处,如受限热致凝胶化法、湿纺法和电泳沉积制备的纤维的电导率较低,而化学气相沉积在制备中空纤维过程中结构容易破损且柔性相对较低。这种力学和导电性能的不足限制了石墨烯管在柔性可穿戴设备领域的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有技术缺陷,提供高导电柔性石墨烯管及其制备方法,该石墨烯管具有较大的比表面积,且具有较高的导电性和柔性,在反复弯折后能保持导电性能稳定,该材料制备方法简单,成本低,具有很好的应用前景。
为了解决上述问题,本发明提供了一种高导电柔性石墨烯管的制备方法,包括以下步骤:
(1)准备沉积衬底:调整组成高分子聚合物纤维束的纤维间间隙,以高分子聚合物纤维束作为沉积衬底;
(2)静电喷涂氧化石墨烯:用静电喷雾装置向步骤(1)所得的沉积衬底喷涂氧化石墨烯,沉积衬底完全被氧化石墨烯包覆后,形成氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维;
(3)纤维增韧:将步骤(2)制得的氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维浸于GaCl2溶液中增强纤维的机械性能后烘干备用;
(4)氧化石墨烯预还原:将步骤(3)所得的样品用化学还原剂进行初步的还原,化学还原过程中不产生气体;
(5)高温热处理:将步骤(4)所得的预还原样品置于还原气氛中进行高温热处理,完全还原氧化石墨烯,同时热分解去除样品中的沉积衬底即得石墨烯管。
本发明的石墨烯管的制备方法简单,成本低,由于所得石墨烯材料为管状结构,比表面积有效增大。该方法以高分子聚合物纤维束为沉积衬底,通过静电喷雾法在纤维束上复合氧化石墨烯得复合纤维,再将所得复合纤维浸于GaCl2溶液中以增强纤维的机械性能,然后通过还原过程不产生气体的化学还原剂对复合纤维进行预还原初步还原氧化石墨烯,最后再通过高温热处理,完全还原氧化石墨烯,同时高温热分解复合材料中的高分子聚合物成分,从而去除沉积衬底,获得石墨烯管,从而有效增加了所得石墨烯薄材料的比表面积,同时,由于步骤(5)的加热还原过程中有气体生成,会在还原过程中对石墨烯管的表面形貌造成破坏,造成材料表面的材料分布不均匀或破损,使得直接加热还原制得石墨烯管柔韧性较差,本申请步骤(4)采用还原过程不产生气体的化学还原试剂对氧化石墨烯进行预还原,可以先去掉部分氧化石墨烯表面的官能团,以有效减少步骤(5)加热还原产生的气体,降低高温热处理对纤维柔韧性的不良影响。本申请的步骤(3)浸泡GaCl2溶液和步骤(4)氧化石墨烯的预还原都能够增强纤维的力学性能使其具有更好的柔韧性,这种具有均匀稳定结构和较高柔韧性的石墨烯管在反复弯折形变中不易破坏,进而可在反复弯折后保持导电性能稳定,在柔性可穿戴设备领域具有很好的应用潜力。
作为优选,所述的步骤(1)的高分子聚合物为涤纶、尼龙、聚乙烯吡络烷酮、聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己内酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。
作为优选,步骤(1)的沉积衬底的高分子聚合物纤维间间隙为0.4μm~2μm在石墨烯管内形成石墨烯隔层。即所述的石墨烯管内有石墨烯隔层,将石墨烯管内部中空空间分隔为多通道,石墨烯隔层形成于步骤(1)的沉积衬底纤维束的纤维间隙中,形成石墨烯隔层的高分子聚合物纤维间间隙为0.4μm~2μm。
发明人在研究过程中发现,当作为沉积衬底的纤维束的纤维间间隙处于特定的区间值0.4μm~2μm时,静电喷雾过程中形成的氧化石墨烯可进入该间隙同时在液体表面张力作用下形成存于间隙空间中形成氧化石墨烯层,进而再后续的高温热处理后由氧化石墨烯层变为石墨烯管内的石墨烯隔层,石墨烯隔层将石墨烯管内部中空空间分隔为多通道,不仅增加了材料的比表面积,还增加了材料的导电通路,将原来的石墨烯管表面导电变为内、外石墨烯层导电,有效提高了材料的导电性能,同时,材料间的石墨烯隔层在石墨烯管中能够起到类似于加强筋的支撑效果,从而提高材料的力学性能,使该石墨烯管具有更高的导电性和柔性。
作为优先,所述的步骤(2)为:将氧化石墨烯分散液置于静电喷雾装置的储液机构中,用静电喷雾装置向步骤(1)所得的沉积衬底喷涂氧化石墨烯,静电喷雾参数为喷雾电压5kV~15kV,喷雾距离3cm~10cm,液体推进部件对石墨烯分散液的推进速率为3ul/min~12ul/min,静电喷雾时间为40min~60min,即得氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维。
作为优选,步骤(2)所述的氧化石墨烯分散液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF),所含的氧化石墨烯浓度为9mg/mL。
作为优先,所述的步骤(3)为:将步骤(2)制得的氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维常温下浸于GaCl2溶液中30min~60min后,置于干燥箱中常温干燥样品。
作为优选,所述的步骤(4)的化学还原剂为氢碘酸。
作为优选,所述的步骤(4)为将步骤(3)所得的样品浸于氢碘酸溶液中(溶液中氢碘酸浓度88wt%),90℃浸泡4h进行初步的还原。
氢碘酸还原氧化石墨烯的过程没有气体产生,因此不会对材料形貌和力学性能产生不利影响。
作为优选,步骤(5)所述的还原气氛为氩气,高温热处理的保温温度大于或等于高分子聚合物热分解温度,所述的热分解温度为高分子材料热重分析中高分子材料被完全热解时的温度。
作为优选,步骤(1)的高分子聚合物为涤纶,步骤(4)为:将步骤(4)所得的预还原样品在氩气气氛中进行高温还原,加热速率为3℃/min~7℃/min,加热至800℃~1200℃,保温时间为60min~90min。
本发明还公开了由上述方法制得的石墨烯管。
作为优选,所述石墨烯管的电导率为104S/m数量级。
通过本申请的方法制得的石墨烯管,由于静电喷雾过程中喷出的氧化石墨烯为微纳米级颗粒,从而在沉积衬底上形成了均匀致密的氧化石墨烯层,进而通过后续处理得到了具有较大比表面积的致密均匀结构的石墨烯管,所得材料经测试具有优越的导电性能,电导率可达104S/m数量级,且经反复弯折后能保持导电性能稳定,在柔性可穿戴设备领域具有很好的应用潜力。
作为优选,所述的石墨烯管为多通道石墨烯管,石墨烯管内部设有石墨烯隔层,石墨烯隔层将石墨烯管内部中空空间分隔为多通道。
作为优选,所述的石墨烯隔层厚度为0.4μm~2μm。
在原沉积衬底的纤维间隙间形成的石墨烯隔层不仅增加了材料的比表面积,还增加了材料的导电通路,将原来的石墨烯管表面导电变为内、外石墨烯层导电,有效提高了材料的导电性能,同时,材料间的石墨烯隔层在石墨烯管中能够起到类似于加强筋的支撑效果,从而提高材料的力学性能,使该石墨烯管具有更高的导电性和柔性。
本发明的有益效果是:本发明提供了高导电柔性石墨烯管及其制备方法,该石墨烯管具有较大的比表面积,且具有较高的导电性和柔性,在反复弯折后能保持导电性能稳定,该材料制备方法简单,成本低,具有很好的应用前景。具体而言:
(1)本发明的石墨烯管的制备方法简单,成本低,由于所得石墨烯材料为管状结构,比表面积有效增大。该方法以高分子聚合物纤维束为沉积衬底,通过静电喷雾法在纤维束上复合氧化石墨烯得复合纤维,再将所得复合纤维浸于GaCl2溶液中以增强纤维的机械性能,然后通过还原过程不产生气体的化学还原剂对复合纤维进行预还原初步还原氧化石墨烯,最后再通过高温热处理,完全还原氧化石墨烯,同时高温热分解复合材料中的高分子聚合物成分,从而去除沉积衬底,获得石墨烯管,从而有效增加了所得石墨烯薄材料的比表面积,同时,由于步骤(5)的加热还原过程中有气体生成,会在还原过程中对石墨烯管的表面形貌造成破坏,造成材料表面的材料分布不均匀或破损,使得直接加热还原制得石墨烯管柔韧性较差,本申请步骤(4)采用还原过程不产生气体的化学还原试剂对氧化石墨烯进行预还原,可以先去掉部分氧化石墨烯表面的官能团,以有效减少步骤(5)加热还原产生的气体,降低高温热处理对纤维柔韧性的不良影响。本申请的步骤(3)浸泡GaCl2溶液和步骤(4)氧化石墨烯的预还原都能够增强纤维的力学性能使其具有更好的柔韧性,这种具有均匀稳定结构和较高柔韧性的石墨烯管在反复弯折形变中不易破坏,进而可在反复弯折后保持导电性能稳定,在柔性可穿戴设备领域具有很好的应用潜力。
(2)优选方案中,通过对为沉积衬底的纤维束的纤维间间隙对材料形貌影响的研究和控制,制得了内部具有石墨烯隔层的多通道石墨烯管,发明人在研究过程中发现,当作为沉积衬底的纤维束的纤维间间隙处于特定的区间值0.4μm~2μm时,静电喷雾过程中形成的氧化石墨烯可进入该间隙同时在液体表面张力作用下形成存于间隙空间中形成氧化石墨烯层,进而再后续的高温热处理后由氧化石墨烯层变为石墨烯管内的石墨烯隔层,石墨烯隔层将石墨烯管内部中空空间分隔为多通道,不仅增加了材料的比表面积,还增加了材料的导电通路,将原来的石墨烯管表面导电变为内、外石墨烯层导电,有效提高了材料的导电性能,同时,材料间的石墨烯隔层在石墨烯管中能够起到类似于“加强筋”的效果,从而提高材料的力学性能,使该石墨烯管具有更高的导电性和柔性
附图说明
图1:实施例的制备方法的流程图;
图2:实施例1的所用的沉积衬底的光学显微镜照片;
图3:实施例1得的石墨烯管的扫描电子显微镜照片;
图4:实施例1的石墨烯管的弯曲次数-电阻变化关系图;
图5:实施例1的石墨烯管的伏安特性曲线;
图6:实施例2所用的沉积衬底的光学显微镜照片;
图7:实施例2制得的多通道石墨烯管的扫描电子显微镜照片;
图8:实施例3所用的沉积衬底的光学显微镜照片;
图9:实施例3制得的多通道石墨烯管的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点,下面通过实施方式对本方案进行阐述。然而应当理解,在没有进一步叙述的情况下,一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系,仅是为了便于描述和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。、本申请实施例所用氧化石墨烯分散液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF),所含的氧化石墨烯浓度为9mg/mL。
实施例1
如图1的流程图所示,一种高导电柔性石墨烯管的制备方法,包括以下步骤:
(1)准备沉积衬底:将涤纶纤维束捻紧至纤维间间隙小于0.4μm,形成捻紧的绞线纤维束(如图2所示),作为沉积衬底;
(2)静电喷涂氧化石墨烯:将氧化石墨烯分散液置于静电喷雾装置的储液机构中,用静电喷雾装置向步骤(1)所得的沉积衬底喷涂氧化石墨烯,静电喷雾参数为喷雾电压8kV,喷雾距离3cm,静电喷雾装置的储液机构的液体推进部件对石墨烯分散液的推进速率为12ul/min,静电喷雾时间为60min,即得氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维;
(3)纤维增韧:将步骤(2)制得的氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维常温下浸于GaCl2溶液中30min后,置于干燥箱中常温3h得干燥样品;
(4)氧化石墨烯预还原:将步骤(3)所得的样品浸于氢碘酸浓度88wt%的氢碘酸溶液中,90℃浸泡4h进行初步的还原;
(5)高温热处理:将步骤(4)所得的预还原样品在氩气气氛中进行高温还原,加热速率为4℃/min,加热至1000℃(热重分析中所用涤纶被完全热解时的温度460℃),保温时间为90min,即得石墨烯管(形貌如图3所示),所得材料为单通道的石墨烯管。
性能测试,对实施例1所得样品进行性能测试,其伏安特性曲线如图5所示,在不考虑纤维的中空结构下,根据电阻的定义式,R=l/σS,其中R为电阻,σ为电导率,l为样品的长度,S为样品的横截面积,即可得到石墨烯管的电导率为1.99*104S/m;测试实施例1的石墨烯管的弯曲次数-电阻变化关系,所得结果如图4所示,在800次的弯曲过程中石墨烯管的电阻基本保持稳定,表明利用本方法制备的石墨烯管具有很好的柔性和较稳定的导电性能。
实施例2
如图1的流程图所示,一种高导电柔性石墨烯管的制备方法,包括以下步骤:
(1)准备沉积衬底:将涤纶纤维束调整至有3条间距在0.4μm~2μm之间的纤维间隙的松弛的纤维束(如图6所示),作为沉积衬底;
(2)静电喷涂氧化石墨烯:将氧化石墨烯分散液置于静电喷雾装置的储液机构中,用静电喷雾装置向步骤(1)所得的沉积衬底喷涂氧化石墨烯,静电喷雾参数为喷雾电压8kV,喷雾距离3cm,静电喷雾装置的储液机构的液体推进部件对石墨烯分散液的推进速率为12ul/min,静电喷雾时间为60min,即得氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维;
(3)纤维增韧:将步骤(2)制得的氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维常温下浸于GaCl2溶液中30min后,置于干燥箱中常温3h得干燥样品;
(4)氧化石墨烯预还原:将步骤(3)所得的样品浸于氢碘酸浓度88wt%的氢碘酸溶液中,90℃浸泡4h进行初步的还原;
(5)高温热处理:将步骤(4)所得的预还原样品在氩气气氛中进行高温还原,加热速率为4℃/min,加热至1000℃(热重分析中所用涤纶被完全热解时的温度460℃),保温时间为90min,即得石墨烯管(形貌如图7所示),所得材料为具有3个石墨烯隔层的多通道石墨烯管,经测量,石墨烯管内隔层的厚度范围为0.4μm~2μm。
性能测试,对实施例2所得样品进行伏安测试,并按实施例1的相同的方法计算得石墨烯管的电导率为4.56*104S/m。
实施例3
如图1的流程图所示,一种高导电柔性石墨烯管的制备方法,包括以下步骤:
(1)准备沉积衬底:将尼龙纤维束调整至有多条间距在0.4μm~2μm之间的纤维间隙的松弛的纤维束(如图8所示),作为沉积衬底;
(2)静电喷涂氧化石墨烯:将氧化石墨烯分散液置于静电喷雾装置的储液机构中,用静电喷雾装置向步骤(1)所得的沉积衬底喷涂氧化石墨烯,静电喷雾参数为喷雾电压15kV,喷雾距离10cm,静电喷雾装置的储液机构的液体推进部件对石墨烯分散液的推进速率为3μl/min,静电喷雾时间为40min,即得氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维;
(3)纤维增韧:将步骤(2)制得的氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维常温下浸于GaCl2溶液中60min后,置于干燥箱中常温4h得干燥样品;
(4)氧化石墨烯预还原:将步骤(3)所得的样品浸于氢碘酸浓度88wt%的氢碘酸溶液中,90℃浸泡4h进行初步的还原;
(5)高温热处理:将步骤(4)所得的预还原样品在氩气气氛中进行高温还原,加热速率为5℃/min,加热至1000℃(热重分析中所用尼龙被完全热解时的温度380℃),保温时间为60min,即得石墨烯管(形貌如图9所示),所得材料为具有多个石墨烯隔层的多通道石墨烯管,经测量,石墨烯管内隔层的厚度范围为0.4μm~2μm。
性能测试,对实施例3所得样品进行伏安测试,并按实施例1的相同的方法计算得石墨烯管的电导率为8.93*104S/m。
以上所列举的实施方式仅供理解本发明之用,并非是对本发明所描述的技术方案的限定,有关领域的普通技术人员,在权利要求所述技术方案的基础上,还可以作出多种变化或变形,所有等同的变化或变形都应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。本发明未详述之处,均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种高导电柔性石墨烯管的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)准备沉积衬底:调整组成高分子聚合物纤维束的纤维间间隙,以高分子聚合物纤维束作为沉积衬底;
(2)静电喷涂氧化石墨烯:用静电喷雾装置向步骤(1)所得的沉积衬底喷涂氧化石墨烯,沉积衬底完全被氧化石墨烯包覆后,形成氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维;
(3)纤维增韧:将步骤(2)制得的氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维浸于GaCl2溶液中增强纤维的机械性能后烘干备用;
(4)氧化石墨烯预还原:将步骤(3)所得的样品用化学还原剂进行初步的还原,化学还原过程中不产生气体;
(5)高温热处理:将步骤(4)所得的预还原样品置于还原气氛中进行高温热处理,完全还原氧化石墨烯,同时热分解去除样品中的沉积衬底即得石墨烯管。
2.如权利要求1所述的高导电柔性石墨烯管的制备方法,其特征在于,步骤(1)的沉积衬底的高分子聚合物纤维间间隙设置为0.4μm~2μm,在石墨烯管内形成石墨烯隔层。
3.如权利要求1所述的高导电柔性石墨烯管的制备方法,其特征在于,所述的步骤(2)为:将氧化石墨烯分散液置于静电喷雾装置的储液机构中,用静电喷雾装置向步骤(1)所得的沉积衬底喷涂氧化石墨烯,静电喷雾参数为喷雾电压5kV~15kV,喷雾距离3cm~10cm,液体推进部件对石墨烯分散液的推进速率为3ul/min~10ul/min,静电喷雾时间为40min~60min,即得氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维。
4.如权利要求1所述的高导电柔性石墨烯管的制备方法,其特征在于,所述的步骤(3)为:将步骤(2)制得的氧化石墨烯/高分子聚合物复合纤维常温下浸于GaCl2溶液中30min~60min后,置于干燥箱中常温干燥样品。
5.如权利要求1所述的高导电柔性石墨烯管的制备方法,其特征在于,所述的步骤(4)的化学还原剂为氢碘酸,所述的步骤(4)为将步骤(3)所得的样品浸于氢碘酸溶液中,90℃浸泡4h进行初步的还原。
6.如权利要求1所述的高导电柔性石墨烯管的制备方法,其特征在于,步骤(5)所述的高温热处理的保温温度大于或等于高分子聚合物热分解温度,所述的热分解温度为高分子材料热重分析中高分子材料被完全热解时的温度。
7.如权利要求6所述的高导电柔性石墨烯管的制备方法,其特征在于,步骤(1)的高分子聚合物为涤纶,步骤(4)为:将步骤(4)所得的预还原样品在氩气气氛中进行高温还原,加热速率为3℃/min~7℃/min,加热至800℃~1200℃,保温时间为60min~90min。
8.由权利要求1至7中任一种方法制得的高导电柔性石墨烯管。
9.如权利要求8所述的高导电柔性石墨烯管,其特征在于,所述石墨烯管的电导率为104S/m数量级。
10.如权利要求8所述的高导电柔性石墨烯管,其特征在于,所述的石墨烯管为多通道石墨烯管,石墨烯管内部设有石墨烯隔层,石墨烯隔层将石墨烯管内部中空空间分隔为多通道,所述的石墨烯隔层厚度为0.4μm~2μm。
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