一种金属复合纤维的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属复合纤维的制备方法，首次将能够快速加热的微波技术与石墨烯衍生物的微波吸收特性和金属纤维表面微波涡流加热特性结合，同时结合石墨烯的高导热能力及石墨烯层的热量易于被快速交换转移的特性，使得金属纤维表面涂布的石墨烯衍生物能够快速、低能耗地转化为石墨烯从而获得具有良好导电能力及抗腐蚀能力的复合金属纤维，可以为金属纤维、石墨烯材料的进一步发展及应用作出贡献。

Method for preparing metal composite fiber

The invention discloses a preparation method of metal composite fiber, for the first time will be able to combine microwave technology and graphene derivatives rapid heating and microwave absorbing properties of the metal fiber surface eddy current heating characteristics, combined with the high thermal conductivity of graphene and graphene layer of the heat transfer characteristic is easy to rapid exchange, making graphite derivatives surface coating of metal fibre can be fast, low energy consumption into composite metal fiber to obtain graphene has good conductivity and corrosion resistance, can contribute to the further development and application of metal fiber, graphene material.

【技术实现步骤摘要】
一种金属复合纤维的制备方法
本专利技术属于材料领域，涉及一种金属复合纤维特别是通过微波加热石墨烯衍生物溶液涂布金属纤维而获得核为金属纤维壳为石墨烯层的复合纤维的方法。
技术介绍
随着社会的发展，金属纤维由于拥有良好的机械性能、电学性能等众多优点而在包括电线电缆、机械增强、电极材料、传感器件等广泛领域获得广泛应用。然而金属纤维本身的包括腐蚀问题、导电性能还有待提高等一些问题的存在限制了其进一步的推广应用。因此金属纤维的包覆修饰受到人们的高度关注，并在包括高分子包覆、涂料涂布、金属复合等方面取得快速发展。而另外一方面，石墨烯作为一种二维导电材料，其优异的力学性质(杨氏模量高达1.0TPa)、电学性质(电子迁移率高达106cm2.v-1s-1)、热学性质(热导系数高达5000w.m-1.k-1)、光学性质(单层石墨烯的可见光吸收仅有2.3％和优异的锁模特性)，超大的理论比表面积(2630m2.g-1)不仅使得其在金属表面修饰领域能够有效发挥金属和石墨烯的优越性能，而且其片层结构也使得其包覆效果良好，因此成为目前金属表面修饰的重点研究领域。目前人们开发了包括化学气相沉积包覆、静电粉末喷涂包覆、石墨烯复合胶黏剂涂布、氧化石墨烯溶液涂布等方法对金属纤维进行表面修饰，但是这些修饰方法存在的化学气相沉积需要高温等条件而成本昂贵的问题，静电粉末喷涂由于石墨烯粉末团聚而难以使得石墨烯平面铺展均匀包覆材料的问题，石墨烯胶黏剂由于高分子材料的添加将影响石墨烯导电、导热能力发挥的问题，而单纯氧化石墨烯溶液涂布则存在氧化石墨烯性能远低于石墨烯性能和化学还原存在环境污染并且可能损伤金属纤维本身及高温还原能耗大、周期长等问题，因此目前人们仍然期待出现新的包覆技术使得石墨烯包覆复合金属纤维能够更好地服务社会。为此本申请首次提出在金属纤维上首先通过石墨烯衍生物溶液涂布而获得石墨烯衍生物层包覆的金属复合纤维，然后在设定气氛条件下复合纤维以设定速度通过整个微波加热区，利用石墨烯衍生物中石墨烯微区的微波吸收能力及金属纤维表面数微米深度的涡流加热特性使得氧化的石墨烯衍生物层或者石墨烯边缘衍生物层及金属表面层由于微波作用而快速升温并还原氧化的石墨烯衍生物或者脱石墨烯边缘衍生物的边缘官能团而转化为石墨烯层，由于溶液涂布的石墨烯衍生物层以石墨烯基面铺展的形态层层包覆在金属纤维上，而此时高温处理获得的石墨烯层还由于不同石墨烯片层间π电子云之间的相互作用而可以保持较好的导电、导热及机械性能。微波加热(时间以秒计)由于选择性地加热石墨烯衍生物层及金属纤维表面，因此可以避免其它升温加热由于需要长时间(时间以小时计)及热传输等而引发的高能耗。复合纤维以设定速度通过整个微波炉加热区的方式，一方面可以精确控制复合纤维的微波加热时间。如一般微波炉加热时间设定有30秒为单位的多个档次，但是实验表明在保护气氛下加热一个整档就可能发生由于升温过快而导致涂布的石墨烯衍生物层散乱甚至脱落，即使精密微波炉可以设定微波脉冲长度，但也难以设定可能最优的加热时间如1.2秒，而复合纤维以设定速度通过微波加热区则可以根据微波加热区尺寸轻松获得精确的最佳加热时间。复合纤维以设定速度通过微波加热区还可以避免微波加热区不同区域加热效果不同带来的加热不均。事实上，将复合纤维放置在微波炉中加热一段时间，取出后可以明显感觉到放置在不同加热区域的复合纤维加热效果不一样，这与微波炉中加热电场的均匀性有关，虽然可以通过设计如曲面天线结构等方式提高微波炉加热均匀性，但其也有一定限度。而复合纤维以设定速度通过整个微波加热区则由于所有复合纤维均通过整个加热区而获得一致的加热效果。当然复合纤维以设定速度通过整个微波加热区还可以精确控制其冷却时机。而本专利技术的复合纤维以设定速度通过整个微波加热区的方法还与纤维加工的工艺兼容，因此有助于金属复合纤维的批量生产。且复合纤维离开微波加热区即可以快速冷却至设定温度，因此大大缩短加工时间。所以本申请利用微波加热以设定速度通过整个微波加热区的石墨烯衍生物层包覆金属复合纤维制备石墨烯层包覆金属复合纤维的方法不仅能够获得表面具有良好导电、防腐能力的石墨烯层，而且由于使用即开即加热且加热具有选择性的微波加热技术而能够有效降低能耗并缩短加工时间因此有助于石墨烯层包覆修饰的金属复合纤维的进一步研发及推广应用。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种金属纤维表面涂布石墨烯层而获得金属复合纤维的方法，通过在金属纤维表面溶液涂布石墨烯衍生物层形成金属复合纤维，然后金属复合纤维在惰性气氛、还原性气氛或者真空环境下以设定速度通过整个微波炉加热区域以精确控制加热时间、冷却时机并避免加热不均匀，利用微波选择性地加热石墨烯衍生物中的石墨烯微区及金属纤维表面(深度为数微米)而高温处理石墨烯衍生物层，从而获得在金属纤维表面包覆有石墨烯层的复合纤维。该方法不但可以避免目前存在的粉末静电喷涂的包覆不均匀性、高分子混合涂料由于高分子的混合对石墨烯衍生物性能呈现的影响及化学还原存在的污染问题和普通高温还原的费时与高能耗等问题，可以方便、快捷、低能耗地制备石墨烯层包覆的金属复合纤维，因此有助于金属复合纤维的进一步发展与应用。技术方案：本专利技术的一种金属复合纤维的制备方法为：首先配制石墨烯衍生物溶液，然后将石墨烯衍生物溶液涂布在选定的金属纤维表面形成石墨烯衍生物包覆的金属复合纤维，随后在设定气氛下使得金属复合纤维以设定速度通过微波加热区导致金属纤维表面因为涡流作用而升温，同时石墨烯衍生物层则因为吸收微波而升温并使得金属复合纤维表面的石墨烯衍生物层因为高温作用而转化为石墨烯层，随后金属复合纤维离开微波加热区并被冷却，然后挤压处理即可获得石墨烯层包覆的金属复合纤维。其中：所述石墨烯衍生物是指石墨烯的氧化物即氧化石墨烯及还原的氧化石墨烯和石墨烯边缘衍生物。所述设定气氛是指惰性气氛、还原性气氛或者真空状态；所述惰性气氛是指气体不与氧化石墨烯衍生物反应的气体如氮气、氦气、氩气；所述还原性气氛是指气体中含有能够还原石墨烯衍生物的气体如氢气、醇类、烷烃类气体；所述真空状态是指气压小于4KPa。所述石墨烯衍生物层因为高温作用而转化为石墨烯层是指高温作用导致氧化的石墨烯被还原而转化为石墨烯，而石墨烯边缘衍生物则发生脱边缘官能团的反应而转化为石墨烯。所述石墨烯层包覆的金属复合纤维中石墨烯层的碳含量大于90％。所述金属复合纤维离开微波加热区并被冷却，是指通过冷的气氛或者额外施加冷的气流体而冷却。所述金属复合纤维以设定速度通过微波加热区根据微波加热区尺寸控制加热时间。所述在设定气氛下使得金属复合纤维被微波处理导致金属纤维表面因为涡流作用而升温，同时石墨烯衍生物层则因为吸收微波而升温并使得金属复合纤维表面的石墨烯衍生物层因为高温作用而转化为石墨烯层，随后金属复合纤维离开微波加热区并被冷却，该过程可以重复以多次高温处理石墨烯衍生物层。所述将石墨烯衍生物溶液涂布在选定的金属纤维表面形成石墨烯衍生物包覆的金属复合纤维，随后在设定气氛下使得金属复合纤维被微波处理导致金属纤维表面因为涡流作用而升温，同时石墨烯衍生物层则因为吸收微波而升温并使得金属复合纤维表面的石墨烯衍生物层因为高温作用而转化为石墨烯层，随后金属复合纤维离开微波加热区并被冷却，然本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属复合纤维的制备方法，其特征在于，首先配制石墨烯衍生物溶液，然后将石墨烯衍生物溶液涂布在选定的金属纤维表面形成石墨烯衍生物包覆的金属复合纤维，随后在设定气氛下使得金属复合纤维以设定速度通过微波加热区导致金属纤维表面因为涡流作用而升温，同时石墨烯衍生物层则因为吸收微波而升温并使得金属复合纤维表面的石墨烯衍生物层因为高温作用而转化为石墨烯层，随后金属复合纤维离开微波加热区并被冷却，然后挤压处理即可获得石墨烯层包覆的金属复合纤维。

【技术特征摘要】
1.一种金属复合纤维的制备方法，其特征在于，首先配制石墨烯衍生物溶液，然后将石墨烯衍生物溶液涂布在选定的金属纤维表面形成石墨烯衍生物包覆的金属复合纤维，随后在设定气氛下使得金属复合纤维以设定速度通过微波加热区导致金属纤维表面因为涡流作用而升温，同时石墨烯衍生物层则因为吸收微波而升温并使得金属复合纤维表面的石墨烯衍生物层因为高温作用而转化为石墨烯层，随后金属复合纤维离开微波加热区并被冷却，然后挤压处理即可获得石墨烯层包覆的金属复合纤维。2.根据权利要求1所述的一种金属复合纤维的制备方法，其特征在于所述石墨烯衍生物是指氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯或石墨烯边缘衍生物。3.根据权利要求1所述的一种金属复合纤维的制备方法，其特征在于所述设定气氛是指惰性气氛、还原性气氛或者真空状态；所述惰性气氛是指气体不与氧化石墨烯衍生物反应的气体；所述还原性气氛是指气体中含有能够还原石墨烯衍生物的气体；所述真空状态是指气压小于4KPa。4.根据权利要求1所述的一种金属复合纤维的制备方法，其特征在于所述石墨烯衍生物层因为高温作用而转化为石墨烯层是指高温作用导致氧化的石墨烯被还原，而石墨烯边缘衍生物则发生脱边缘官能团的反应。5.根据权利要求1所述的一种金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继中，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32