JP2015530492A

JP2015530492A - 導電性グラフェン複合繊維の製造方法

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Publication number: JP2015530492A
Application number: JP2015528869A
Authority: JP
Inventors: 超高; ▲暁▼珍胡; ▲暁▼松周; ▲イェン▼ 徐
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd; Zhejiang University ZJU
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd; Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2015-10-15
Also published as: WO2015014124A1; EP2871268A1; EP2871268A4; CN103541043A; US20150104642A1

Abstract

グラフェン複合繊維は、グラフェンシートと、該グラフェンシートを共に集めるためのポリマーとを含む。該ポリマーは、超分岐ポリマー及びポリビニルアルコールの何れか又は双方を含む。グラフェンシート及びポリマーは、層状構造を形成するように互いに積み重ねられ、グラフェンシートは、グラフェン複合繊維の軸方向に沿って規則的に配置される。グラフェン複合繊維の製造方法において、酸化グラフェンが原材料として使用され、それによりグラフェン複合繊維の引張強度が有意に向上される。ポリマーの付加は、複合繊維に良好な粘り強さをもたらす。紡糸プロセスにおいて、ゼラチン状の繊維が高い配向性及び立体規則性を有するように、ゼラチン状の繊維の張力を高めるために、回転された凝固剤が使用され、それにより、得られる固体繊維の強度が有意に向上される。最後の還元プロセスが、グラフェンの導電率をかなり良好に復元する。

Description

本発明は、複合繊維材料に関し、特に、導電性グラフェン複合繊維及びその製造方法に関する。

炭素繊維は、炭素材料の固有特性だけでなく織物繊維の柔軟な加工可能性をも有する優れた性能の新材料である。伝統的なガラス繊維と比較して、炭素繊維のヤング率は伝統的なガラス繊維のそれの３倍より大きく、ケブラー（登録商標）繊維（ＫＦ−４９）と比較して、炭素繊維のヤング率がケブラー繊維のそれのおよそ２倍であるだけでなく、炭素繊維は、例えば耐食性及び引張強度などの注目すべき性能を有する。故に、炭素繊維は、民生用途、軍事、建築、化学、産業、航空機、及びスーパーカーの分野で広く使用されている。

グラフェンは、ｓｐ２混成結合によって結び付けられた炭素原子の２次元層であり、例えば超高強度、極めて大きい比表面積、高い熱伝導率とキャリア移動度など、数多くの優れた特性を有し、故に、例えばトランジスタ、スーパーキャパシタ、選択透過性膜、及び強化材料など数多くの分野での幅広い応用の展望を有する。単一グラフェンシートの超高強度を巨視的材料に移すことができれば、巨視的材料における単一グラフェンシートの強度は炭素繊維のそれと同等となる。研究により見出されていることには、湿式紡糸技術を用いることによって、酸化グラフェンの液晶溶液を巨視的なグラフェン繊維に変換することができる。しかしながら、得られるグラフェン繊維の強度はおよそ１００−２００ＭＰａであり、これは依然として、単一グラフェンシートの強度よりはるかに低いものである。得られるグラフェン繊維は、その強度及び導電率が更に改善されるときにのみ、実用的な適用要件を満たすことができる。

本発明の１つの目的は、高い強度及び導電率を有する導電性グラフェン複合繊維の製造方法を提供することである。

グラフェン複合繊維は、グラフェンシートと、前記グラフェンシートを共に集めるためのポリマーとを有し、前記ポリマーは、超分岐ポリマー及びポリビニルアルコールの何れか又は双方を有し、前記グラフェンシート及び前記ポリマーは、層状構造を形成するようにインターリーブされて積み重ねられ、前記グラフェンシートは、当該グラフェン複合繊維の軸方向に沿って規則的に配置される。

導電性グラフェン複合繊維の製造方法は、ステップ１：反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、前記ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得るステップであり、前記ポリマーは超分岐ポリマー及びポリビニルアルコールの何れか又は双方を有するステップと、ステップ２：前記紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ前記紡糸懸濁液を保持して、前記紡糸懸濁液を繊維へと凝固させるステップと、ステップ３：凝固した繊維生成物を洗浄し、前記凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行って前記グラフェン複合繊維を得るステップとを含む。

グラフェン複合繊維の強度は、主としてグラフェンシート間の相互作用に依存する。グラフェンシートによって形成される繊維では、グラフェンシート間に主としてファンデルワールス力及びπ−π相互作用が存在する。しかしながら、この実施形態においては、多数の官能基を有するポリマーがグラフェンシート間に存在し、このポリマーと、グラフェンシート内のヒドロキシル基及びカルボキシル基とが、水素結合又はイオン結合を形成し、これが、隣接し合うグラフェンシートを共に“くっつける”接着剤のように作用し、それによりグラフェン複合繊維の強度及び導電率が高められる。

本発明の一実施形態に従ったポリテトラフルオロエチレンのローラの周りに巻かれたグラフェン複合繊維のデジタルカメラ写真である。本発明の一実施形態に従ったポリテトラフルオロエチレンのローラの周りに巻かれたグラフェン複合繊維の部分的なＳＥＭ像である。図２の本発明の一実施形態に従ったグラフェン複合繊維の断面ＳＥＭ像である。

実施形態１
図１−図３に示すように、本発明の一実施形態により提供されるグラフェン複合繊維は、グラフェンシートと、グラフェンシートを共に集めるためのポリマーとを含む。グラフェンシート及びポリマーは、層状構造を形成するように密に積み重ねられ、グラフェンシートは、繊維の軸方向に沿って規則的に配置される。ポリマーは、超分岐（ハイパーブランチ）ポリマー及びポリビニルアルコールの何れか又は双方を含む。このグラフェン複合繊維は、５−５０００μｍの直径を有する黒色繊維である。

特に、図２に示すように、繊維内のグラフェンシートは全て、繊維の軸方向に沿って配置され、故に、非常に高い立体規則性を有する。特に、図３に示すように、グラフェンシート及び付加されるポリマーは、グラフェンシートの高い強度を基礎として、層状構造を形成するように密に積み重ねられる。

超分岐ポリマーは、超分岐ポリエステル、超分岐ポリアミド、及び超分岐ポリグリシジルエーテルのうちの１つ以上を含む。

本発明のこの実施形態におけるグラフェン複合繊維の強度は、主としてグラフェンシート間の相互作用に依存する。グラフェンシートのみによって形成される繊維では、グラフェンシート間に主としてファンデルワールス力及びπ−π相互作用が存在する。しかしながら、この実施形態においては、多数の官能基を有するポリマーがグラフェンシートに導入され、このポリマーと、グラフェンシート内のヒドロキシル基及びカルボキシル基とが、水素結合又はイオン結合を形成し、これが、隣接し合うグラフェンシートを共に“くっつける”接着剤のように作用し、それによりグラフェン複合繊維の強度が高められる。

実施形態２
本発明のこの実施形態は、以下のステップを含む導電性グラフェン複合繊維の製造方法を提供する。

ステップ１：反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、超分岐ポリマー及びポリビニルアルコールの何れか又は双方を含んだポリマーと、グラフェンとの、ナノ複合材料紡糸懸濁液を得る。

ステップ２：紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させる。

ステップ３：凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得る。

導電性グラフェン複合繊維の直径は５μｍから５０００μｍの範囲である。

ステップ１での溶媒は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、及び水のうちの１つ以上を含む。

ステップ２での凝固剤は、ＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液、ＣａＣｌ２水溶液、ＮａＯＨメタノール溶液、ＫＯＨメタノール溶液、ＣａＣｌ２メタノール溶液、ＮａＯＨエタノール溶液、ＫＯＨエタノール溶液、ＣａＣｌ２エタノール溶液、ジエチルエーテル、酢酸エチル、アセトン、及び石油エーテルのうちの１つ以上を含む。

ステップ３での還元方法は、熱還元及び化学的還元を含む。化学的還元に使用される還元剤は、ヒドラジン水和物、ビタミンＣ、リジン、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヨウ化水素酸、及び酢酸のうちの１つ以上を含む。

本発明のこの実施形態におけるグラフェン複合繊維の製造方法は、以下の具体的な実施手法を含むことができる。

１．本発明の他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に２０ｍｇの酸化グラフェン、１ｇのＮ−メチル−２−ピロリドン溶媒、及び２ｇの超分岐ポリエステルを加えて１時間かき混ぜ、超分岐ポリエステルとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、超分岐ポリエステルとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転されたＫＯＨメタノール溶液内に５０ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、４０度で乾燥させ、その後、ヒドラジン水和物を使用することにより還元を行って、超分岐ポリエステルとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、５０００μｍの直径、４００ＭＰａの破断強さ、５％の破断伸び、及び２００Ｓ／ｍの導電率を有する。

２．本発明の更なる他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に２０ｍｇの酸化グラフェン、０．５ｇのＮ−メチル−２−ピロリドン溶媒、及び２ｍｇの超分岐ポリアミドを加えて４時間かき混ぜ、超分岐ポリアミドとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、超分岐ポリアミドとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、５μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転されたＮａＯＨメタノール溶液内に５ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、６０度で乾燥させ、その後、ビタミンＣを使用することにより還元を行って、超分岐ポリアミドとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、５μｍの直径、４５０ＭＰａの破断強さ、１０％の破断伸び、及び２０００Ｓ／ｍの導電率を有する。

３．本発明の更なる他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に２０ｍｇの酸化グラフェン、４０ｇのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶媒、及び１００ｍｇの超分岐ポリグリシジルエーテルを加えて６時間かき混ぜ、超分岐ポリグリシジルエーテルとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、超分岐ポリグリシジルエーテルとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、１００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１０ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転されたジエチルエーテル内に３６００ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、６０度で乾燥させ、その後、ビタミンＣ及びリジンを使用することにより還元を行って、超分岐ポリグリシジルエーテルとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、１００μｍの直径、５００ＭＰａの破断強さ、１５％の破断伸び、及び３０００Ｓ／ｍの導電率を有する。

４．本発明の更なる他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に２０ｍｇの酸化グラフェン、１０ｇのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶媒、及び２００ｍｇのポリビニルアルコールを加えて２４時間かき混ぜ、ポリビニルアルコールとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、ポリビニルアルコールとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、５０μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、２０ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転されたアセトン内に３６０ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、６０度で乾燥させ、その後、ヨウ化水素酸を使用することにより還元を行って、ポリビニルアルコールとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、５０μｍの直径、５５０ＭＰａの破断強さ、８％の破断伸び、及び３５００Ｓ／ｍの導電率を有する。

５．本発明の更なる他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に２０ｍｇの酸化グラフェン、１０ｇの水溶媒、及び２００ｍｇの超分岐ポリアミドを加えて３時間かき混ぜ、超分岐ポリアミドとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、超分岐ポリアミドとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、８００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転されたＣａＣｌ２水溶液内に１ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、８０度で乾燥させ、その後、酢酸を使用することにより還元を行って、超分岐ポリアミドとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、８００μｍの直径、４５０ＭＰａの破断強さ、５％の破断伸び、及び１０００Ｓ／ｍの導電率を有する。

６．本発明の更なる他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に１０ｍｇの酸化グラフェン、１０ｇの水溶媒水、及び２００ｍｇの超分岐ポリアミドを加えて２４時間かき混ぜ、超分岐ポリアミドとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、超分岐ポリアミドとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転されたＣａＣｌ２エタノール溶液内に５０ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、８０度で乾燥させ、その後、ヨウ化水素酸と酢酸との混合物を使用することにより還元を行って、超分岐ポリアミドとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、５０００μｍの直径、５１５ＭＰａの破断強さ、５％の破断伸び、及び５０００Ｓ／ｍの導電率を有する。

７．本発明の更なる他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に１０ｍｇの酸化グラフェン、１０ｇのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶媒、及び２００ｍｇの超分岐ポリエステルを加えて１０時間かき混ぜ、超分岐ポリエステルとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、超分岐ポリエステルとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された酢酸エチル内に５０ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、８０度で乾燥させ、その後、ＫＯＨを使用することにより還元を行って、超分岐ポリエステルとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、５０００μｍの直径、５４５ＭＰａの破断強さ、５％の破断伸び、及び４５００Ｓ／ｍの導電率を有する。

８．本発明の更なる他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に１０ｍｇの酸化グラフェン、１０ｇのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶媒、及び２００ｍｇの超分岐ポリアミドを加えて１０時間かき混ぜ、超分岐ポリアミドとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、超分岐ポリアミドとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、１００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１０ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された石油エーテル内に５０ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、８０度で乾燥させ、その後、ＮａＯＨを使用することにより還元を行って、超分岐ポリアミドとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、１００μｍの直径、４６０ＭＰａの破断強さ、５％の破断伸び、及び１２００Ｓ／ｍの導電率を有する。

９．本発明の更なる他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に１０ｍｇの酸化グラフェン、１０ｇのＮ−メチル−２−ピロリドン溶媒、及び２００ｍｇの超分岐ポリエステルを加えて５時間かき混ぜ、超分岐ポリエステルとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、超分岐ポリエステルとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、５０μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、５ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された石油エーテル内に５０ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、８０度で乾燥させ、その後、５００度での熱還元を行って、超分岐ポリエステルとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、５０μｍの直径、５２５ＭＰａの破断強さ、５％の破断伸び、及び２１００Ｓ／ｍの導電率を有する。

１０．本発明の更なる他の一実施形態において、上述のステップは具体的に以下とし得る。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に１０ｍｇの酸化グラフェン、１０ｇのＮ−メチル−２−ピロリドン溶媒、及び２００ｍｇのポリビニルアルコールを加えて２０時間かき混ぜ、ポリビニルアルコールとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

上述のステップ２において、紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ紡糸懸濁液を保持して、紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることは、具体的に、ポリビニルアルコールとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を、５μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１５ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転されたＫＯＨエタノール溶液内に５０ｓだけナノ複合材料紡糸懸濁液を保持して、ナノ複合材料紡糸懸濁液を繊維へと凝固させることを含む。

上述のステップ３において、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行ってグラフェン複合繊維を得ることは、具体的に、凝固した繊維生成物を巻き取り機の使用により集め、凝固した繊維生成物を洗浄し、凝固した繊維生成物を真空内で２４時間、８０度で乾燥させ、その後、酢酸を使用することにより還元を行って、ポリビニルアルコールとグラフェンとの複合繊維を得ることを含み、この複合繊維は、５μｍの直径、５２０ＭＰａの破断強さ、５％の破断伸び、及び１３００Ｓ／ｍの導電率を有する。

以上の具体的な実施手法における紡糸ノズルは、紡糸キャピラリを含む。

本発明の実施形態において、大きい酸化グラフェンシートが原材料として使用され、それによりグラフェン複合繊維の引張強度が有意に向上される。ポリマーの付加は、複合繊維に良好な粘り強さをもたらす。従来技術と比較して、紡糸プロセスにおいて、例えばエアレーション、加熱、化学反応、遠心分離、及び洗浄などの長ったらしい工程が除去され、それ故に、プロセスが有意に単純化されるとともに、プロセスは、処理が容易であり、省エネルギーであり、且つ環境に優しいものである。紡糸プロセスにおいて、回転された凝固剤は、ゼラチン状の繊維が高い配向性及び立体規則性を有するように、ゼラチン状の繊維の張力を高めるために使用され、それにより、得られる固体繊維の強度が有意に向上される。最後の還元プロセスは、グラフェンの導電率をかなり良好に復元し、それ故に、得られる繊維は、グラフェンペーパー（グラフェン溶液の吸引濾過によって形成される巨視的材料であり、形態において紙に似ているものである）のそれと同等の導電率を有する。本発明の実施形態にて得られるグラフェン複合繊維は、高い強度、良好な粘り強さ、及び高い導電率という利点を有し、大規模に製造されることができ、且つ、導電性の織物、材料の強化、及び導電性のデバイスなどの分野で幅広く使用され得る。

以上では、実施形態を用いることによって本発明を具体的に記述している。これらの実施形態は、単に、本発明を更に説明することを意図したものであり、本発明の保護範囲への限定として解釈されるべきでない。本発明の内容に従って当業者によって為される非本質的な変更及び調整は、本発明の保護範囲に入るものである。

本発明は、複合繊維材料に関し、特に、グラフェン複合繊維及びその製造方法に関する。

本発明の１つの目的は、高い強度及び導電率を有するグラフェン複合繊維の製造方法を提供することである。

グラフェン複合繊維の製造方法は、ステップ１：反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、前記ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得るステップであり、前記ポリマーは超分岐ポリマー及びポリビニルアルコールの何れか又は双方を有するステップと、ステップ２：前記紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ前記紡糸懸濁液を保持して、前記紡糸懸濁液を繊維へと凝固させるステップと、ステップ３：凝固した繊維生成物を洗浄し、前記凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行って前記グラフェン複合繊維を得るステップとを含む。

実施形態１
図１−図３に示すように、本発明の一実施形態により提供されるグラフェン複合繊維は、グラフェンシートと、グラフェンシートを共に集めるためのポリマーとを含む。グラフェンシート及びポリマーは、層状構造を形成するように密に積み重ねられ、グラフェンシートは、グラフェン複合繊維の軸方向に沿って規則的に配置される。ポリマーは、超分岐（ハイパーブランチ）ポリマー及びポリビニルアルコールの何れか又は双方を含む。このグラフェン複合繊維は、５−５０００μｍの直径を有する黒色繊維である。

実施形態２
本発明のこの実施形態は、以下のステップを含むグラフェン複合繊維の製造方法を提供する。

グラフェン複合繊維の直径は５μｍから５０００μｍの範囲である。

上述のステップ１において、反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることは、具体的に、反応器に１０ｍｇの酸化グラフェン、１０ｇの水溶媒、及び２００ｍｇの超分岐ポリアミドを加えて２４時間かき混ぜ、超分岐ポリアミドとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得ることを含む。

本発明の実施形態において、大きｓい酸化グラフェンシートが原材料として使用され、それによりグラフェン複合繊維の引張強度が有意に向上される。ポリマーの付加は、複合繊維に良好な粘り強さをもたらす。紡糸プロセスにおいて、例えばエアレーション、加熱、化学反応、遠心分離、及び洗浄などの長ったらしい工程が除去され、それ故に、プロセスが有意に単純化されるとともに、プロセスは、処理が容易であり、省エネルギーであり、且つ環境に優しいものである。紡糸プロセスにおいて、回転された凝固剤は、ゼラチン状の繊維が高い配向性及び立体規則性を有するように、ゼラチン状の繊維の張力を高めるために使用され、それにより、得られる固体繊維の強度が有意に向上される。最後の還元プロセスは、グラフェンの導電率をかなり良好に復元し、それ故に、得られる繊維は、グラフェンペーパー（グラフェン溶液の吸引濾過によって形成される巨視的材料であり、形態において紙に似ているものである）のそれと同等の導電率を有する。本発明の実施形態にて得られるグラフェン複合繊維は、高い強度、良好な粘り強さ、及び高い導電率という利点を有し、大規模に製造されることができ、且つ、導電性の織物、材料の強化、及び導電性のデバイスなどの分野で幅広く使用され得る。

Claims

グラフェン複合繊維であって、グラフェンシートと、前記グラフェンシートを共に集めるためのポリマーとを有し、前記ポリマーは、超分岐ポリマー及びポリビニルアルコールの何れか又は双方を有し、前記グラフェンシート及び前記ポリマーは、層状構造を形成するようにインターリーブされて積み重ねられ、前記グラフェンシートは、当該グラフェン複合繊維の軸方向に沿って規則的に配置される、グラフェン複合繊維。
前記超分岐ポリマーは、超分岐ポリエステル、超分岐ポリアミド、及び超分岐ポリグリシジルエーテルのうちの１つ以上を有する、請求項１に記載の導電性グラフェン複合繊維。
前記ポリマーは、超分岐ポリエステル、超分岐ポリアミド、超分岐ポリグリシジルエーテル、及びポリビニルアルコールのうちの１つ又は２つを有する、請求項１に記載の導電性グラフェン複合繊維。
当該グラフェン複合繊維は５μｍから５０００μｍの直径を有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の導電性グラフェン複合繊維。
導電性グラフェン複合繊維の製造方法であって、
ステップ１：反応器に１重量部の酸化グラフェン、５０−２０００重量部の溶媒、及び０．１−１００重量部のポリマーを加えてかき混ぜ、前記ポリマーとグラフェンとのナノ複合材料紡糸懸濁液を得るステップであり、前記ポリマーは超分岐ポリマー及びポリビニルアルコールの何れか又は双方を有するステップと、
ステップ２：前記紡糸懸濁液を、５−５０００μｍの直径を有する紡糸ノズルを通して、１−１００ｍＬ／ｈの速さで押し出し、回転された凝固剤内に１−３６００秒だけ前記紡糸懸濁液を保持して、前記紡糸懸濁液を繊維へと凝固させるステップと、
ステップ３：凝固した繊維生成物を洗浄し、前記凝固した繊維生成物を真空内で乾燥させ、その後、還元を行って前記グラフェン複合繊維を得るステップと
を有する製造方法。
前記ポリマーは、超分岐ポリエステル、超分岐ポリアミド、超分岐ポリグリシジルエーテル、及びポリビニルアルコールのうちの１つ又は２つを有する、請求項５に記載の導電性グラフェン複合繊維の製造方法。
ステップ１での５０−２０００重量部の前記溶媒は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、及び水のうちの１つ以上を有する、請求項６に記載の導電性グラフェン複合繊維の製造方法。
ステップ２での前記凝固剤は、ＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液、ＣａＣｌ２水溶液、ＮａＯＨメタノール溶液、ＫＯＨメタノール溶液、ＣａＣｌ２メタノール溶液、ＮａＯＨエタノール溶液、ＫＯＨエタノール溶液、ＣａＣｌ２エタノール溶液、ジエチルエーテル、酢酸エチル、アセトン、及び石油エーテルのうちの１つ以上を有する、請求項６に記載の導電性グラフェン複合繊維の製造方法。
ステップ３での還元方法は熱還元又は化学的還元を有し、前記化学的還元に使用される還元剤は、ヒドラジン水和物、ビタミンＣ、リジン、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヨウ化水素酸、及び酢酸のうちの１つ以上を有する、請求項６に記載の導電性グラフェン複合繊維の製造方法。
ステップ２での前記紡糸ノズルは紡糸キャピラリを有する、請求項５乃至９の何れか一項に記載の導電性グラフェン複合繊維の製造方法。