一种螺旋结构石墨烯-碳纳米管复合纤维的制备方法技术

本发明专利技术提出一种螺旋结构石墨烯‑碳纳米管复合纤维的制备方法，解决了现有技术中石墨烯碳纳米管复合纤维混合不够均匀、难以做到大尺寸的问题。本发明专利技术是按照下述方式制备的：（1）制备氧化石墨烯水溶液；（2）制备碳纳米薄膜；（3）用转动的轮子收集碳纳米管薄膜，同时将轮子浸入氧化石墨烯水溶液中，形成氧化石墨烯和碳纳米管的混合薄膜；（4）混合薄膜自然风干后，从收集轮上裁剪下来，扭转成螺旋结构的纤维状，之后进行化学还原，得到石墨烯‑碳纳米管复合纤维。本发明专利技术的螺旋石墨烯‑碳纳米管纤维，结构独特，且可拉伸，在纤维的弹性可拉伸范围内，其电阻随形变的变化呈规律性改变。

A preparation method of helical structure of graphene carbon nanotube composite fiber

The present invention provides a method for preparing a helical structure of graphene carbon nanotube composite fiber, solves the graphene carbon nanotube composite fiber mixed evenly, it is difficult to achieve enough large size problems. The present invention is prepared in the following manner: (1) preparation of aqueous solution of graphene oxide; (2) nano carbon films prepared; (3) collecting the carbon nanotube film with a spinning wheel, and the wheel will be immersed in graphene oxide in aqueous solution, mixed film formation of graphene oxide and carbon nanotubes; (4) hybrid film natural dried, collected from round cut, torsion fiber spiral structure, followed by chemical reduction of graphene carbon nanotube composite fiber. Graphene helical carbon nanotube fibers, the invention of the unique structure, and can be stretched in fiber elastic tensile range, the deformation resistance with the change changed regularly.

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋结构石墨烯-碳纳米管复合纤维的制备方法
本专利技术属于纳米材料制备
，具体涉及一种制备螺旋结构石墨烯-碳纳米管纤维的方法。
技术介绍
石墨烯纤维作为基于石墨烯的一种新兴材料，不仅继承了石墨烯的良好的力热电性能，而且因其能作为一种潜在的高性能可纺织纤维而备受关注，尽管石墨烯纤维具有较好的机械性能和可功能化应用的特点，但是其性能与石墨烯相比依然存在较大差距，同时，如何以石墨烯为原液，通过工业方法制得石墨烯纱线，并将石墨烯纱线纺织成石墨烯制品，如何提高石墨烯纤维的力学性能和可纺性，依然存在较大挑战。目前石墨烯纤维的强化方法有很多，比如金属离子浴强化、真空超高温石墨化强化；通过将石墨烯与其他聚合物复合制备石墨烯复合纤维来提高其力学性能；通过将碳纳米管粉末加入到石墨烯纤维中制得复合纤维，这种方法不仅提高其力学性能，也增强了纤维的柔韧性，但是该方法中用到的碳纳米管是长度只有微米级粉末状碳纳米管，且使得碳纳米管和石墨烯能均匀混合以制得均匀的复合纤维也是该方法的难点。
技术实现思路
本专利技术提出一种螺旋结构石墨烯-碳纳米管复合纤维的制备方法，解决了现有技术中石墨烯碳纳米管复合纤维混合不够均匀、难以做到大尺寸的问题。本专利技术的螺旋结构石墨烯-碳纳米管复合纤维的制备方法，是按照下述方式制备的：（1）用化学氧化的方法制备氧化石墨烯水溶液；（2）利用化学气相沉积的方法制备碳纳米薄膜；（3）用转动的轮子收集碳纳米管薄膜，同时将轮子浸入氧化石墨烯水溶液中，使得碳纳米管薄膜与氧化石墨烯溶液进行混合，并收集到收集轮上，形成氧化石墨烯和碳纳米管的混合薄膜；（4）混合薄膜自然风干后，从收集轮上裁剪下来，得到氧化石墨烯-碳纳米管复合薄膜，之后将其裁剪成条带；将条带水平固定，其一头固定在马达上，另一头固定在负重物上，利用水汽对将条带进行润湿后，在马达带动下扭转成螺旋结构的纤维状，之后进行化学还原，得到石墨烯-碳纳米管复合纤维。所述氧化石墨烯水溶液是按照下述方式制备的：（1.1）将硫酸和磷酸按照4：1的体积比混合均匀得到混合酸液，之后将蠕虫石墨加入混合酸液中；（1.2）在冰浴条件下，缓慢加入高锰酸钾颗粒，反应4个小时；（1.3）在冰浴条件下，将去离子水加入步骤（1.2）得到的溶液中，待温度降低后，再加入双氧水；（1.4）静置12小时后，分别用体积分数为5%的稀盐酸溶液和去离子水进行离心清洗，制得氧化石墨烯水溶液。其中，化学气相沉积的方法制备碳纳米薄膜是按照下述步骤进行的：以二甲苯为碳源，以二茂铁和单质硫为催化剂，以氢气为催化气体，以氩气为负载气体，以石英管为反应腔室，在温度为1100oC-1300oC条件下，制备出连续的碳纳米管薄膜。优选的，步骤（4）中的化学还原是按照下述方式进行的：将氧化石墨烯-碳纳米管螺旋纤维浸入浓度为35%氢碘酸中，90℃条件下浸泡12小时后取出，用去离子水清洗后常温下真空干燥，制备出石墨烯-碳纳米管螺旋纤维。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本专利技术的螺旋纤维是完全连续的石墨烯层和连续的碳纳米管层逐层叠加构成宏观薄膜。②本专利技术可简单通过控制裁剪条带的宽度来控制最后螺旋纤维的直径大小。③纺织过程中采用水汽润湿，使得纤维形貌连续均匀。④本专利技术的螺旋石墨烯-碳纳米管纤维，结构独特，且可拉伸，其最大拉伸应变可达120%；在纤维的弹性可拉伸范围内，其电阻随形变的变化呈规律性改变。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是石墨烯-碳纳米管螺旋纤维的扫描电镜照片。图2是扫描电镜放大图。图3是石墨烯-碳纳米管螺旋纤维的力学性能图片。图4是石墨烯-碳纳米管螺旋纤维的电学性能图片。图5是石墨烯-碳纳米管螺旋纤维的在拉伸循环中的电阻变化图片。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种螺旋结构石墨烯-碳纳米管复合纤维的制备方法，是按照下述方式制备的：（1）用化学氧化的方法制备氧化石墨烯水溶液；（2）利用化学气相沉积的方法制备碳纳米薄膜；（3）用转动的轮子收集碳纳米管薄膜，同时将轮子浸入氧化石墨烯水溶液中，使得碳纳米管薄膜与氧化石墨烯溶液进行混合，并收集到收集轮上，形成氧化石墨烯和碳纳米管的混合薄膜；（4）混合薄膜自然风干后，从收集轮上裁剪下来，得到氧化石墨烯-碳纳米管复合薄膜，之后将其裁剪成条带（宽度为1~10mm）；将条带水平固定，其一头固定在马达上，另一头固定在负重物上，利用水汽对将条带进行润湿后，在马达带动下扭转成螺旋结构的纤维状，之后进行化学还原，得到石墨烯-碳纳米管复合纤维。其中，所述氧化石墨烯水溶液是按照下述方式制备的：（1.1）将硫酸和磷酸按照4：1的体积比混合均匀得到混合酸液，之后将蠕虫石墨加入混合酸液中，蠕虫石墨和混合酸液的质量体积比为3g：250mL，优选采用300目左右的蠕虫石墨；（1.2）在冰浴条件（40℃水浴）下，缓慢加入高锰酸钾颗粒，反应4个小时；（1.3）在冰浴（40℃左右）条件下，将去离子水缓慢加入步骤（1.2）得到的溶液中，待温度降低后，再加入双氧水；（1.4）静置12小时后，分别用体积分数为5%的稀盐酸溶液和去离子水各离心清洗三遍，制得氧化石墨烯水溶液。其中，化学气相沉积的方法制备碳纳米薄膜是按照下述步骤进行的：以二甲苯为碳源，以二茂铁和单质硫为催化剂，以氢气为催化气体，以氩气为负载气体，以石英管为反应腔室，在温度为1100oC-1300oC条件下，制备出连续的碳纳米管薄膜。步骤（4）中的化学还原是按照下述方式进行的：将氧化石墨烯-碳纳米管螺旋纤维浸入浓度为35%氢碘酸中，90℃条件下浸泡12小时后取出，用去离子水反复清洗后常温下真空干燥，制备出石墨烯-碳纳米管螺旋纤维。本专利技术中，轮子在转动的时候，使得碳纳米管包膜与氧化石墨烯水溶液充分混合均匀，通过在石墨烯纤维中逐层加入连续的超长碳纳米管纤维的方式，增强石墨烯纤维内部的结构紧致性和连贯性，以增强石墨烯纤维的强度。与传统的方式相比，这种方法制备的复合石墨烯纤维有以下三个特点：第一，如图2所示，加入的碳纳米管超长，长度可达厘米级甚至分米级，这样使得石墨烯纤维内部连贯性更好，强度更高；第二，通过逐层叠加的方法，即一层碳纳米管加一层石墨烯，如此反复，使得复合纤维中的碳纳米管和石墨烯均匀排布，有机结合，从而达到提高复合纤维综合性能的目的。同时，这种均匀的逐层结构，能有效改善纤维内部的电子输运渠道，加快电子在纤维内部的传输，提高纤维的电学性能。第三，本方法简单且能快速有效的制备出均匀的复合纤维。进一步，可以将这种复合纤维制备成螺旋这一独特结构，使得该种纤维在增强力学性能的基础上，又具有了可拉伸性能和弹性可回复性能，扩大其在柔性力学和电学器件、可穿戴设备、人工肌肉等领域的应用。图3为该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种螺旋结构石墨烯‑碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于是按照下述方式制备的：（1）用化学氧化的方法制备氧化石墨烯水溶液；（2）利用化学气相沉积的方法制备碳纳米薄膜；（3）用转动的轮子收集碳纳米管薄膜，同时将轮子浸入氧化石墨烯水溶液中，使得碳纳米管薄膜与氧化石墨烯溶液进行混合，并收集到收集轮上，形成氧化石墨烯和碳纳米管的混合薄膜；（4）混合薄膜自然风干后，从收集轮上裁剪下来，得到氧化石墨烯‑碳纳米管复合薄膜，之后将其裁剪成条带；将条带水平固定，其一头固定在马达上，另一头固定在负重物上，利用水汽对将条带进行润湿后，在马达带动下扭转成螺旋结构的纤维状，之后进行化学还原，得到石墨烯‑碳纳米管复合纤维。

【技术特征摘要】
1.一种螺旋结构石墨烯-碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于是按照下述方式制备的：（1）用化学氧化的方法制备氧化石墨烯水溶液；（2）利用化学气相沉积的方法制备碳纳米薄膜；（3）用转动的轮子收集碳纳米管薄膜，同时将轮子浸入氧化石墨烯水溶液中，使得碳纳米管薄膜与氧化石墨烯溶液进行混合，并收集到收集轮上，形成氧化石墨烯和碳纳米管的混合薄膜；（4）混合薄膜自然风干后，从收集轮上裁剪下来，得到氧化石墨烯-碳纳米管复合薄膜，之后将其裁剪成条带；将条带水平固定，其一头固定在马达上，另一头固定在负重物上，利用水汽对将条带进行润湿后，在马达带动下扭转成螺旋结构的纤维状，之后进行化学还原，得到石墨烯-碳纳米管复合纤维。2.根据权利要求1所述的螺旋结构石墨烯-碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于所述氧化石墨烯水溶液是按照下述方式制备的：（1.1）将硫酸和磷酸按照4：1的体积比混合均匀得到混合酸液，之后将蠕虫石墨加入混合酸液中；（1.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：上媛媛，花春飞，王颖，郭佳慧，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41