本發(fā)明涉及一種石墨烯纖維及其制備方法。

背景技術：

碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維可加工性兩大特征，是一種力學性能優(yōu)異的新材料。在物理性質上具有強度大、模量高、密度低、膨脹系數(shù)小等特點?？蛇\用到復合材料、土木建筑、航空航天、汽車材料等。美國專利案us2013/0084455a1公開了一種以聚烯烴纖維為前驅體制備碳纖維的方法。此方法可以調控碳纖維的特性及形貌。

石墨烯(graphene)是一種超薄的單原子二維材料，其獨特的物理結構，使其具有一系列優(yōu)異的性能，使其備受關注。最初，由機械剝離的方法制備出的石墨烯，其遷移率高達200，000v^-1s^-1。目前，采用化學氣相沉積法在金屬襯底表面進行石墨烯制備，可獲得大面積高質量的單層、雙層或者多層石墨烯。美國專利us2012/0298396a1公開了一種石墨烯纖維的制備方法，利用化學氣相沉積技術，在線性金屬基底上沉積一層石墨烯，在將其在刻蝕液中刻蝕掉金屬基底，從而得到石墨烯纖維。前述所提供的專利方案在制備石墨烯纖維的過程中工藝復雜，而且對線性金屬基底的要求比較高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種石墨烯纖維及其制備方法，該石墨烯纖維具有優(yōu)異的機械性質和較高的柔性，該制備方法步驟簡單，對金屬襯底要求低。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是：一種石墨烯纖維，包括呈線狀的碳纖維以及緊密包裹在碳纖維外部的石墨烯片層，碳纖維和石墨烯片層共同構成了石墨烯纖維。

進一步，所述石墨烯纖維的直徑小于或等于900nm，粗糙度的范圍為：16.9nm-39.8nm。

本發(fā)明還提供了一種石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟：

步驟s1：將聚丙烯腈溶解在n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中，攪拌得到前驅體溶液，前驅體溶液中，聚丙烯腈的質量百分比為12％-16％，采用靜電紡絲技術將前驅體溶液紡在金屬催化劑襯底上，得到聚苯烯腈納米纖維前驅體；

步驟s2：將金屬催化劑襯底上的聚苯烯腈納米纖維前驅體充分固化，并在非氧化性氣體環(huán)境中加熱至900-1200℃，保持3-20分鐘，即可在金屬催化劑襯底上得到石墨烯纖維。

進一步，所述步驟s1中，前驅體溶液的攪拌溫度為50-80℃，攪拌時間為20-30h。

進一步，所述金屬催化劑襯底為cu箔。

進一步，所述步驟s2中，聚苯烯腈納米纖維前驅體的固化溫度范圍為：50-80℃，所述固化在干燥箱中進行，固化時間為2-6小時。

進一步，所述非氧化性氣體為ar、h2、n2中的一種或多種按照任意比例混合。

進一步，所述制備方法還包括刻蝕的步驟，刻蝕步驟如下：將在金屬催化劑襯底上得到的石墨烯纖維，放入刻蝕液中，將金屬催化劑襯底刻蝕掉，再用去離子水反復清洗數(shù)次，即可轉移到任意所需基底上，或捻成石墨烯繩。

進一步，所述刻蝕液為過硫酸鈉溶液或三氯化鐵溶液。

采用了上述技術方案后，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)本發(fā)明的石墨烯纖維具有優(yōu)異的機械性質，較高的柔性，在能源存儲器件、光伏器件、傳感器領域有巨大的應用前景；

2)本發(fā)明采用靜電紡絲技術和化學氣相沉積相結合的方法，原料來源易得，成本較低；

3)采用靜電紡絲技術，紡絲不易斷，使得制備出來的石墨烯纖維韌性強，并且可通過控制紡絲針頭的直徑和施加電壓來調節(jié)石墨烯纖維的直徑；可根據(jù)紡絲針頭的不同，來控制紡絲的排列，從而得到不同陣列的石墨烯纖維；

4)本發(fā)明的制備方法簡單，整體使用到的化學試劑較少，對環(huán)境污染較小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的石墨烯纖維的掃描電子顯微鏡照片；

圖2為本發(fā)明的石墨烯纖維的掃描電子顯微鏡照片；

圖3為本發(fā)明的石墨烯纖維的拉曼表征圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的內容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

實施例一：

一種石墨烯纖維，包括呈線狀的碳纖維以及緊密包裹在碳纖維外部的石墨烯片層，碳纖維和石墨烯片層共同構成了石墨烯纖維。

優(yōu)選地，所述石墨烯纖維的直徑小于或等于900nm，粗糙度的范圍為：16.9nm-39.8nm。

從圖1的石墨烯纖維的掃描電子顯微鏡照片可看到，石墨烯纖維呈線形；從圖2的石墨烯纖維的掃描電子顯微鏡照片可看到，石墨烯纖維由兩層結構組成，包括位于中間的碳纖維和位于表面的石墨烯片層，石墨烯片層緊密結合在碳纖維表面；從圖3的拉曼表征圖可看出，石墨烯纖維具有d峰、g峰和2d峰等石墨烯的特征峰，2d峰與g峰的強度比(i2d/ig)代表石墨烯片層的厚度，強度比越大，厚度越小，強度比越小，厚度越大。

實施例二：

本發(fā)明還提供一種石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟：

步驟s1：將聚丙烯腈溶解在n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中，攪拌得到前驅體溶液，前驅體溶液中，聚丙烯腈的質量百分比為16％，采用靜電紡絲技術將前驅體溶液紡在金屬催化劑襯底上，得到聚苯烯腈納米纖維前驅體，其中紡絲時間為10秒；

步驟s2：將金屬催化劑襯底上的聚苯烯腈納米纖維前驅體充分固化，然后放入反應器中，在反應器中通入非氧化性氣體，在非氧化性氣體環(huán)境中加熱至1200℃，保持3分鐘，即可在金屬催化劑襯底上得到石墨烯纖維。

優(yōu)選地，所述步驟s1中，前驅體溶液的攪拌溫度為60℃，攪拌時間為30小時。

優(yōu)選地，所述金屬催化劑襯底為cu箔。

優(yōu)選地，所述步驟s2中，聚苯烯腈納米纖維前驅體的固化溫度范圍為：60℃，所述固化在干燥箱中進行，固化時間為2-6小時。

可選地，所述非氧化性氣體為ar氣。

優(yōu)選地，所述制備方法還包括刻蝕的步驟，刻蝕步驟如下：將在金屬催化劑襯底上得到的石墨烯纖維，放入過硫酸鈉溶液中，將金屬催化劑襯底刻蝕掉，再用去離子水反復清洗數(shù)次，即可轉移到任意所需基底上，或捻成石墨烯繩。

實施例三：

一種石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟：

步驟s1：將聚丙烯腈溶解在n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中，攪拌得到前驅體溶液，前驅體溶液中，聚丙烯腈的質量百分比為14％，采用靜電紡絲技術將前驅體溶液紡在金屬催化劑襯底上，得到聚苯烯腈納米纖維前驅體；

步驟s2：將金屬催化劑襯底上的聚苯烯腈納米纖維前驅體充分固化，并在非氧化性氣體環(huán)境中加熱至900℃，保持10分鐘，即可在金屬催化劑襯底上得到石墨烯纖維。

在靜電紡絲過程中，所使用的紡絲針頭的直徑為0.3-0.8mm，紡絲針頭與接收板之間的距離12-18cm，紡絲針頭為不銹鋼材質，施加電壓為20-30kv，紡絲時間為20秒。

優(yōu)選地，所述步驟s1中，前驅體溶液的攪拌溫度為80℃，攪拌時間為20小時。

優(yōu)選地，所述金屬催化劑襯底為cu箔，當然還可以為其他過渡族金屬襯底。

可選地，所述步驟s2中，聚苯烯腈納米纖維前驅體的固化溫度范圍為：50℃，所述固化在干燥箱中進行，固化時間為2-6小時。

可選地，所述非氧化性氣體為h2和n2任意比例混合后的混合氣體。

實施例四：

一種石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟：

步驟s1：將聚丙烯腈溶解在n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中，攪拌得到前驅體溶液，前驅體溶液中，聚丙烯腈的質量百分比為12％，采用靜電紡絲技術將前驅體溶液紡在金屬催化劑襯底上，得到聚苯烯腈納米纖維前驅體；

步驟s2：將金屬催化劑襯底上的聚苯烯腈納米纖維前驅體充分固化，并在非氧化性氣體環(huán)境中加熱至1000℃，保持20分鐘，即可在金屬催化劑襯底上得到石墨烯纖維。

在靜電紡絲過程中，所使用的紡絲針頭的直徑為0.3-0.8mm，紡絲針頭與接收板之間的距離12-18cm，紡絲針頭為不銹鋼材質，施加電壓為20-30kv，紡絲時間為20秒。

優(yōu)選地，所述步驟s1中，前驅體溶液的攪拌溫度為50℃，攪拌時間為24小時。

優(yōu)選地，所述金屬催化劑襯底為cu箔，當然還可以為其他過渡族金屬襯底。

可選地，所述步驟s2中，聚苯烯腈納米纖維前驅體的固化溫度范圍為：80℃，所述固化在干燥箱中進行，固化時間為2-6小時。

可選地，所述非氧化性氣體為n2氣。

本發(fā)明的石墨烯纖維與一般氣相成長碳纖維(vaporgrowncarbonfiber，vgcf),或聚丙烯腈高溫碳化的碳纖維最大的不同在于，其外部包裹了一層石墨烯片層，這些石墨烯片層與內部的碳纖維緊密結合，使得該石墨烯纖維具有優(yōu)異的機械性質，較高的柔性，在能源存儲器件、光伏器件、傳感器領域有巨大的應用前景。

本發(fā)明采用靜電紡絲技術和化學氣相沉積相結合的方法，原料來源易得，成本較低。

采用靜電紡絲技術，紡絲不易斷，使得制備出來的石墨烯纖維韌性強，并且可通過控制紡絲針頭的直徑和施加電壓來調節(jié)石墨烯纖維的直徑；可根據(jù)紡絲針頭的不同，來控制紡絲的排列，從而得到不同陣列的石墨烯纖維。

本發(fā)明的制備方法簡單，整體使用到的化學試劑較少，對環(huán)境污染較小。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。