【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米材料宏观组装领域，特别是一种具有螺旋结构的纤维及其自引发制备方法。
技术介绍
1、2004年，英国曼彻斯特大学andre geim和kostyanovoselov教授用微机械剥离高定向裂解石墨成功制备出单片石墨烯，并发现了其一系列奇特的物理性质，开启了二维纳米材料研究的新纪元。石墨烯是一种由sp2杂化碳原子组成的以二维周期六角蜂窝结构共价组成的单原子层晶体材料，因其独特的二维层状结构，赋予了石墨烯优异的力学、电学、热学等性能。由于石墨烯的难分散性，如何将片状的石墨烯组装成石墨烯宏观组装体成为一个挑战。而氧化石墨烯作为石墨烯的一种衍生物，其高度可溶的特点使其成为制备石墨烯宏观组装体的绝佳材料。
2、石墨烯纤维作为一种基于纯石墨烯组装而成的新兴碳制纤维，其优异的导电性使其在柔性电容器和柔性传感等方面展现出巨大的潜力。目前石墨烯纤维的大规模生产主要采用湿法纺丝，制备出的石墨烯纤维具有良好的力学、电学、热学性能。但得到的石墨烯纤维属于脆性材料，断裂伸长率通常<5％，质脆易断，严重阻碍了在柔性导电领域等方面的应用。因此，现有技术通常通过旋转纺丝头或增加后续额外的加捻步骤，制备具有一定螺旋度的石墨烯纤维，进而提高石墨烯纤维的断裂伸长率。但这些方法过程繁琐，装置复杂，生产规模小，且所制备的螺旋纤维内部二维片层主要沿螺旋方向取向而非纤维轴向，无法承载强的轴向拉力，因此所制备纤维在强度和伸长率方面往往不能兼具。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对上述现有技术
2、本专利技术还提供上述纤维的制备方法，一种自引发螺旋制备高伸长率纤维的方法，包括如下过程：
3、(1)配置高氧化度的氧化石墨烯分散液作为纺丝液；高氧化度氧化石墨烯碳氧比为1.3-2，通过纺丝头把纺丝液挤入凝固浴中，形成初生丝；纺丝头包括内径为80μm-480μm的纺丝管，所述纺丝管具有斜切出口，所述纺丝液经所述纺丝管的斜切出口处挤出到凝固浴，所述斜切出口与所述纺丝管轴向呈30°<θ<60°；斜形切口导致出口处纺丝液两侧出现流速差，发生不稳定凝固，在斜切口处产生具有单侧裙边结构的纤维。通过调整纺丝头斜切角度和凝固浴配比，可控制裙边的褶皱程度；一般来讲斜切角度越大，凝固浴极性越大，裙边褶皱幅度越大。裙边高度褶皱部分在单位长度内体积大于纤维主轴，故所含溶剂量大于纤维主轴。
4、(2)将初生丝牵引至热环境下，使得溶剂挥发，纤维自引发螺旋，得到高伸长率纤维。溶剂挥发过程中，纤维主轴与裙边所含溶剂量的不同导致挥发速度出现差异，进而发生不对称收缩，引发纤维主轴带动裙边扭转，裙边以螺旋方式缠绕在主轴上。这种自引发的螺旋过程，使得芯层石墨烯片沿纤维轴向取向，螺旋形肋条结构的二维片层材料垂直于螺旋切线方向取向。由于纤维主轴到裙边二维片层成呈连续过度，因此自引发螺旋所形成的螺旋形肋条结构的二维片层与构成所述纤维芯的二维片层材料呈连续过渡。
5、氧化石墨烯纤维具有挤出胀大效应(氧化度越高，胀大效应越明显)。现有技术中，为了得到高强度的石墨烯纤维，都会使用低氧化度，出口平的纺丝头，保证挤出均匀，纤维截面均匀。而当做高韧性的石墨烯纤维时，目前采用的是纺丝头旋转，或者后加捻工艺。本申请创造性的采用斜切出口，针对高含氧量且浓度在3mg/g-8mg/g的氧化石墨烯分散液进行挤出构建裙边，结合干燥引发自螺旋，得到的高强与高断裂伸长率的石墨烯纤维，具有意想不到的技术效果。
6、在本专利技术的某些实施例中，由于螺旋自引发过程主要由溶剂挥发速率以及速率差主导，快的挥发速率及大的速率差有利于螺旋的形成，因此特此选用有机体系，高氧化度氧化石墨烯分散剂为n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙二醇、吡啶、n-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、丙酮、乙酸等。
7、在本专利技术的某些实施例中，凝固浴为乙酸乙酯、二氯甲烷、甲醇、丙酮、正己烷、异丙醇等中的一种或几种按不同比例的混合溶液。
8、在本专利技术的某些实施例中，所述热环境的温度在20摄氏度以上，本领域技术人员可以根据实际使用的溶剂选择相应的挥发温度。另外，可以通过调整收丝速度和温度来控制纤维螺旋程度，收丝速度越慢、温度越多，干燥越剧烈，螺旋褶皱的螺旋度越高，断裂伸长率越高。
9、在本专利技术的某些较为优选实施例中，所述高氧化度氧化石墨烯分散剂中还包括高分子聚合物，所述高分子聚合物占溶质质量的30％-50％；所述高分子聚合物为聚乙烯醇或聚氧化乙烯。聚乙烯醇或聚氧化乙烯的加入可以进一步提高纤维强度，且聚合物的混入不会影响螺旋的形成。
10、进一步地，步骤2中所述的纺丝液挤出速度为0.01ml/min-0.10ml/min，具有较好的内螺旋效果。
11、本专利技术的某些较为优选实施例中，还包括对步骤2得到的氧化石墨烯纤维进行还原，得到高伸长率高强度的还原氧化石墨烯纤维。
12、通常的，所述还原为化学还原或热还原。一般来讲，化学还原可以采用乙酸、氢碘酸、三氟乙酸、水合肼、维生素c等及其混合；热还原的还原温度一般在100～3000℃。本领域技术人员知晓，热还原应当在无氧环境下进行，包括但不限于惰性气体氛围或真空条件下。
13、本专利技术的某些较为优选实施例中，所述步骤2的热环境为不均匀的热环境，其中热源位于初生丝的一侧。不均匀的热环境能够加剧溶剂挥发速率的差异度，进一步增强螺旋程度。
14、在本专利技术的某些实施例中，具体采用如下方案：螺旋褶皱微结构的石墨烯纤维的连续制备方法，包括以下过程：
15、(1)将碳氧比为1.3-2的高氧化度氧化石墨烯配置成浓度为3mg/g-8mg/g的氧化石墨烯纺丝液，或加入30％-50％的超高分子量聚乙烯醇或聚氧化乙烯混合均匀配置成复合纺丝液。
16、(2)将步骤1配制的纺丝液通过斜切纺丝头挤出到凝固浴中，由于纺丝头切面的不对称，导致纺丝液在挤出口两侧出现流速差，发生不稳定凝固，产生波浪形的裙边。
17、(3)将充分凝固后的纤维拉出干燥，在单侧施加红外光照，使得纤维在溶剂作用和界面张力共同作用下自发扭转。通过调整收丝速度和红外灯个数来控制干燥时间和干燥剧烈程度，收丝速度越慢、红外灯个数越多，干燥越剧烈，螺旋褶皱的螺旋度越高，断裂伸长率越高。
18、(4)将步骤3得到的氧化石墨烯纤维继续送入还原浴中进行原位化学还原，得到还原氧化石墨烯或还原氧化石墨烯复合纤维。
19、(5)将步骤4得到的还原氧化石墨烯纤维通继续送入热还本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有螺旋结构的纤维，其特征在于，由二维片层材料构成；包括纤维芯和螺旋形肋条结构，所述螺旋形肋条结构环绕在所述纤维芯外侧；构成所述纤维芯的二维片层材料沿轴向取向，构成所述螺旋形肋条结构的二维片层材料平行于螺旋切线方向取向；螺旋形肋条结构的二维片层与构成所述纤维芯的二维片层材料呈连续过渡。
2.一种自引发螺旋制备高伸长率纤维的方法，其特征在于，包括如下过程：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，高氧化度氧化石墨烯分散剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙二醇、吡啶、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、丙酮、乙酸等。
4.根据权利2所述的方法，其特征在于，凝固浴为乙酸乙酯、二氯甲烷、甲醇、丙酮、正己烷、异丙醇等中的一种或几种按不同比例的混合溶液。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热环境的温度在20摄氏度以上。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高氧化度氧化石墨烯分散剂中还包括高分子聚合物，所述高分子聚合物占溶质质量的30％-50％；所述高分子聚合物为聚乙烯醇或聚氧化乙烯。
7.根据
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述还原为化学还原或热还原。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中所述的纺丝液挤出速度为0.01ml/min-0.10ml/min。
10.根据权利要求2-9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2的热环境为不均匀的热环境，其中热源位于初生丝的一侧。
...【技术特征摘要】
1.一种具有螺旋结构的纤维，其特征在于，由二维片层材料构成；包括纤维芯和螺旋形肋条结构，所述螺旋形肋条结构环绕在所述纤维芯外侧；构成所述纤维芯的二维片层材料沿轴向取向，构成所述螺旋形肋条结构的二维片层材料平行于螺旋切线方向取向；螺旋形肋条结构的二维片层与构成所述纤维芯的二维片层材料呈连续过渡。
2.一种自引发螺旋制备高伸长率纤维的方法，其特征在于，包括如下过程：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，高氧化度氧化石墨烯分散剂为n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙二醇、吡啶、n-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、丙酮、乙酸等。
4.根据权利2所述的方法，其特征在于，凝固浴为乙酸乙酯、二氯甲烷、甲醇、丙酮、正己烷、异丙醇等中的一种或几种按不同比例的混合溶液。
5.根据权利要求2所述...
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