一種螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維，特別涉及螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維的制備方法 和應(yīng)用，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯作為備受期望的新潛力材料，具有很多優(yōu)異的特性。在二維納米材料的行 列中，石墨烯的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率都比較優(yōu)異。石墨烯的超薄超輕特性、高透光性、 選擇滲透特性、可彎曲性能使其成為觸屏膜、保護(hù)膜、滲透膜、可穿戴設(shè)備的首選材料?；?石墨烯的超級電容器其極限儲能密度比現(xiàn)有材料高出1~4倍，這得益于石墨烯高的比表面 積、超輕的質(zhì)量和優(yōu)越的導(dǎo)電性。將石墨烯加入各種塑形基體，能夠制備出具有很好導(dǎo)電、 導(dǎo)熱、可加工、耐損傷的特殊材料，在集成電路、散熱片、高韌性容器等方面有應(yīng)用潛力。石 墨烯獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)使其比其他二維材料具備室溫下最長平均自由程、更高載流子迀移 率，此外還具有獨(dú)特的隧道效應(yīng)。集力、熱、光、電各種特性于一身的石墨烯被賦予"萬能材 料"的稱號，具有廣闊的應(yīng)用開發(fā)市場，在光電產(chǎn)品領(lǐng)域、微電器件、能源技術(shù)領(lǐng)域、生物醫(yī) 藥領(lǐng)域、傳感器領(lǐng)域都具有開拓的空間。
[0003] 目前，基于石墨烯的一維材料主要的制備方法有模具法，濕法紡絲法，液相靜電拉 紡法等。制備出的石墨烯纖維有單纖維結(jié)構(gòu)、多孔纖維結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)、條帶結(jié)構(gòu) 等。這些石墨烯纖維具有很好的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)的性能，在很多領(lǐng)域有著潛力應(yīng)用。但是這 些纖維的斷裂應(yīng)變較低，一般不超過5%。因此，現(xiàn)有技術(shù)中石墨烯纖維多是直線狀，很難做 成螺旋的，否則非常容易斷裂，無法達(dá)到規(guī)定要求和長度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維及其制 備方法和應(yīng)用，解決了現(xiàn)有技術(shù)中石墨烯纖維斷裂應(yīng)變能力低等問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是以下述方式實現(xiàn)的：
[0006] -種螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維的制備方法，是按照下述方式進(jìn)行的：步驟（1 )，將濃度 為15~25mg/mL的氧化石墨稀分散液平攤在基底上，自然干燥后，得到面積為500-1000cm2、 厚度為1~3μπι的氧化石墨烯薄膜;步驟(2)，將氧化石墨烯薄膜裁剪為邊緣平滑、寬度為2-10mm的氧化石墨烯條帶;步驟(3)，將氧化石墨烯條帶用水汽潤濕后紡織成直的纖維，然后 過扭形成氧化石墨烯螺旋纖維;步驟(4)，將氧化石墨烯螺旋纖維浸入濃度為30~40%氫碘 酸中，在85~95°C保持10~14小時，并經(jīng)去離子水反復(fù)清洗后在35~45°C真空干燥5~7小 時，得到螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維。
[0007] 優(yōu)選的，所述螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維的制備方法，是按照下述方式進(jìn)行的：步驟（1)， 將濃度為20mg/mL的氧化石墨烯分散液平攤在基底上，自然干燥后，得到面積為500-1000cm 2、厚度為1~3μπι的氧化石墨烯薄膜;步驟(2)，將氧化石墨烯薄膜裁剪為邊緣平滑、 寬度為2-6mm的氧化石墨烯條帶;步驟(3)，將氧化石墨烯條帶用水汽潤濕后紡織成直的纖 維，然后過扭形成氧化石墨烯螺旋纖維;步驟(4)，將氧化石墨烯螺旋纖維浸入濃度為5%氫 碘酸中，在90°C保持12小時，并經(jīng)去離子水反復(fù)清洗后在10°C真空干燥6小時，得到螺旋結(jié) 構(gòu)石墨烯纖維。
[0008] 所述基底是聚四氟乙烯基底。
[0009] 所述水汽潤濕是用濕度在80~90%的水汽對氧化石墨烯條進(jìn)行潤濕。
[0010] 步驟(2)是通過滾刀裁切的方法將氧化石墨烯薄膜裁剪為氧化石墨烯條帶。石墨 稀纖維具有螺旋結(jié)構(gòu)，石墨稀纖維的直徑為80~300微米長度為l-5cm。一種螺旋結(jié)構(gòu)石墨 烯纖維作為應(yīng)變和溫度傳感器的應(yīng)用。
[0011]本發(fā)明制備的螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有很好的抗拉性能，拉伸應(yīng)變可 達(dá)60%，所述螺旋纖維不僅有良好的電學(xué)性能、力學(xué)性能，而且表現(xiàn)出熱敏性能，并且制備 方法簡單，工藝新穎獨(dú)特。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于可拉伸柔性器件、穿戴設(shè)備、力學(xué)傳感器和 溫度傳感器等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0012] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0013] 圖1是石墨烯螺旋纖維的掃描電鏡照片。
[0014] 圖2是石墨烯螺旋纖維的力學(xué)性能圖片。
[0015]圖3是石墨烯螺旋纖維的電學(xué)性能圖片。
[0016] 圖4是石墨烯螺旋纖維的熱敏性能圖片。
【具體實施方式】
[0017] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0018] 本發(fā)明所述的螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維的制備方法，是按照下述方式進(jìn)行的：
[0019] -種螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維的制備方法，是按照下述方式進(jìn)行的：步驟（1)，將濃度 為15~25mg/mL的氧化石墨稀分散液平攤在基底上，自然干燥后，得到面積為500-1000cm2、 厚度為1~3μηι的氧化石墨稀薄膜；
[0020] 步驟(2)，將氧化石墨烯薄膜裁剪為邊緣平滑、寬度為2-10_的氧化石墨烯條帶；
[0021] 步驟(3)，將氧化石墨烯條帶用水汽潤濕后通過馬達(dá)紡織成直的纖維，然后過扭形 成氧化石墨烯螺旋纖維;馬達(dá)轉(zhuǎn)動的時候帶動氧化石墨烯條帶卷成團(tuán)形成直纖維；
[0022]步驟(4)，將氧化石墨烯螺旋纖維浸入濃度為30~40%氫碘酸中，在85~95°C保持 10~14小時，并經(jīng)去離子水反復(fù)清洗后在35~45°C真空干燥5~7小時，得到螺旋結(jié)構(gòu)石墨 烯纖維。
[0023]其中，所述基底優(yōu)選采用聚四氟乙烯基底。
[0024] 優(yōu)選的，所述水汽潤濕是用濕度在80~90%的水汽對氧化石墨烯條進(jìn)行潤濕;采 用水汽潤濕可以改善氧化石墨烯條帶的柔性。
[0025] 優(yōu)選的，步驟(2)是通過滾刀裁切的方法將氧化石墨烯薄膜裁剪為氧化石墨烯條 帶。采用滾刀裁剪得到的氧化石墨烯條帶邊緣平滑，寬度容易控制。
[0026] 其中，步驟（1)中所用的石墨烯分散液可以根據(jù)現(xiàn)有的方法合成。例如，可以參照 文南犬Marcano，D·C.;Kosynkin，D.V.;Berlin，J.M.;Sinitskii，A.;Sun，Z·Z.;Slesarev，Α·; Alemany,L.B.；Lu,ff.；Tour,J.M.Improved Synthesis of Graphene Oxide.ACS Nano 2010,4,4806-4814中公開的方法合成。也可以按照下述方式制備而成:將膨化石墨溶解到 硫酸和磷酸的混合液中，其中硫酸和磷酸的體積比為4:1，上述物質(zhì)混合均勻后在冰浴中機(jī) 械攪拌下緩慢加入高錳酸鉀，加入的高錳酸鉀的質(zhì)量是膨化石墨的5倍，在40°C下攪拌4小 時至反應(yīng)完全，之后依次加入去離子水和雙氧水，靜置一夜之后進(jìn)行酸洗、水洗并離心，得 到氧化石墨烯分散液。
[0027] 采用本發(fā)明的方法得到石墨烯纖維具有螺旋結(jié)構(gòu)，石墨烯纖維的直徑為幾十到幾 百微米，如80~100微米，長度為l-5cm。
[0028] 本發(fā)明的螺旋結(jié)構(gòu)石墨烯纖維作為應(yīng)變和溫度傳感器具有廣闊的應(yīng)用。經(jīng)過研究 發(fā)現(xiàn)，這類傳感器在循環(huán)加載和卸載過程中，螺旋纖維的電阻隨著應(yīng)變的變化有規(guī)律的變 化。其在循環(huán)加熱和冷卻過程中，螺旋纖維的電阻隨著溫度的變化有規(guī)律的變化。
[0029] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):①該螺旋纖維完全由石墨烯構(gòu)成;②裁剪 條帶過程中采用滾刀裁剪的方法，使得條帶邊緣光滑，不易斷裂;③紡織過程中采用水汽潤 濕的方法，在水汽中潤濕30s左右，使得易于脆斷的氧化石墨烯條帶柔性改善，可紡織成具 有均勻螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋結(jié)構(gòu)氧化石墨烯纖維;④本發(fā)明的螺旋石墨烯纖維，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可拉 伸，拉伸應(yīng)變可達(dá)60% ;纖維在循環(huán)拉伸過程中，