用于纺制石墨烯带纤维的工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯带纤维制造工艺，其中凝固介质沿与石墨烯带纤维相同的方向流动。用于纺制石墨烯带纤维的工艺以打开纳米管以形成石墨烯带、净化并干燥石墨烯带并随后将石墨烯带溶解在合适的、优选为超强酸的溶剂中以形成纺丝原液中开始。纺制纺丝原液，以使得积聚的纤维被引导到也称为抗溶剂的凝固介质中，纺制或积聚的纤维在所述凝固介质中凝固。将凝固的石墨烯带纤维剥离、中和并洗涤，并且卷绕在绕线筒上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于将石墨烯带纺制成纤维的工艺。
技术实现思路
含有石墨烯带的纺丝原液(spin-dope)被供给至喷丝头,并且纺丝原液被纺制成积聚的(accrued)石墨烯带纤维，该石墨烯带纤维被引导到也称为抗溶剂的凝固介质中，纺制或积聚的纤维在所述凝固介质中凝固。凝固的石墨烯带纤维被剥离(stripped)以去除过剩的凝固介质，可选地被中和并洗涤，并被卷绕在绕线筒上。可通过将石墨烯带溶解在合适的溶剂(优选为超强酸)中来形成纺丝原液。可选地，形成纺丝原液的工艺包括以下步骤中的一个或多个净化碳纳米管、将碳纳米管打开成石墨烯带、净化石墨烯带和干燥石墨烯带。 附图说明图I示意性地示出了根据本专利技术的用于制造石墨烯带纤维的工艺的实施例，其包括由竖直部分和水平部分组成的输送管。图2示意性地示出了包括输送管的根据本专利技术的用于制造石墨烯带纤维的工艺的可选实施例，其中输送管的一部分可以移动以改变输送管的出口高度，从而调节凝固浴中的凝固介质的液位并因此增大或减小气隙的长度并调节通过输送管的凝固介质的流速。图3示意性地示出了根据本专利技术的用于制造石墨烯带纤维的工艺，其中凝固的纤维经一竖直管向下离开凝固浴。图4示意性地示出了根据本专利技术的用于制造石墨烯带纤维的工艺，其中积聚的纤维沿竖直向上的方向被直接纺制到容纳凝固介质的输送管中。图5示意性地示出了根据本专利技术的用于制造石墨烯带纤维的工艺，其中积聚的纤维沿水平方向被直接纺制到容纳凝固介质的输送管中，并且输送管中凝固介质的流速由凝固浴的液位与输送管出口之间的高度差决定。图6示意性地示出了根据本专利技术的用于制造石墨烯带纤维的工艺，其中积聚的纤维被纺制到凝固介质的液帘中。图7示意性地示出了适于将石墨烯带纤维纺制到凝固介质中的喷丝头。具体实施例方式现有技术的高性能纤维主要由碳组成，例如Kevlar 、Twaron 、Zylon ，或仅由碳组成，例如PAN或基于浙青的碳纤维。然而，由于结构缺陷，当今的纤维仅实现了碳-碳分子键强度的一小部分，通常低于10%。对纳米结构的控制——从开始的前体材料一直到最终纤维——对于高性能纤维的改进而言是必需遇到的关键挑战。除碳纳米管外，石墨烯带很好地适于纺制高性能纤维。石墨烯带比碳纳米管更具有柔性，这在生产工艺及最终产品中是一个优势。此类高性能的石墨烯带纤维可用于例如纱线、无纺织物、隔膜和薄膜中。石墨烯带可通过可选的方法制造，例如利用化学方法从较大的石墨烯片切出石墨烯带。然而，根据这些方法切出石墨烯带对石墨烯带的宽度的控制较少。通过沿着碳纳米管的长度切开来打开碳纳米管提供了对所生产的石墨烯带的宽度的完全控制。本专利技术的用于将石墨烯带纺制成纤维的工艺包括以下步骤向喷丝头供给含有石墨烯带的纺丝原液，以及将纺丝原液纺制成积聚的石墨烯带纤维束。该束积聚的纤维可包含任何数量的纤维，其范围为从用于形成单丝的一根纤维至用于形成复丝石墨烯带纱线的数千根纤维。积聚的纤维在凝固介质(优选为硫酸或三氯甲烷)中凝固，凝固的纤维被机械地剥离以去除多余的凝固介质，可选地被中和并洗涤，并卷绕在绕线筒上。优选地，凝固的纤维被中和并洗涤。纺丝原液可如此地形成将利用化学方法从较大的石墨烯片切出的石墨烯带溶解在合适的溶剂(优选为超强酸、更优选为氯磺酸或发烟硫酸)中以形成纺丝原液。优选地，通 过净化碳纳米管(CNT)以去除非CNT组分(例如无定形碳、石墨和残留催化剂)、将碳纳米管打开成石墨烯带、可选地干燥石墨烯带并且随后将石墨烯带溶解在合适的溶剂(优选为超强酸、更优选为氯磺酸或发烟硫酸)中以形成纺丝原液来形成纺丝原液。纺制纺丝原液，以使得积聚的纤维被引导到也称为抗溶剂的凝固介质中，纺制或积聚的纤维在所述凝固介质中凝固。用作凝固介质的合适的抗溶剂例如为硫酸、PEG-200、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、乙醚、水、醇一例如甲醇、乙醇和丙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP )或二甲基亚砜(DMSO)。优选地，石墨烯带纤维从包含作为溶剂的发烟硫酸的纺丝原液纺制到作为凝固介质的水中。积聚的纤维可被直接纺制到凝固介质中，但优选地，积聚的纤维经由气隙被引导到凝固介质中。在该气隙中，积聚的石墨烯带纤维可被加速以增强纤维中的取向，并且气隙避免了喷丝头与凝固介质之间的直接接触。积聚的石墨烯带纤维的凝固受许多不同变量一例如纺丝原液中石墨烯带的浓度、添加至纺丝原液的添加剂、纺丝原液的温度、积聚的石墨烯带纤维的数量和积聚的石墨烯带纤维的直径——的影响。凝固介质的组分和浓度和/或凝固浴的温度可用于调整凝固速度以及控制积聚的石墨烯带纤维的可拉伸性和在最终纤维中石墨烯带的取向。在于很小型的实验设备中纺制碳纳米管(CNT)的领域中使用96%的硫酸作为凝固介质并且仅采用很少量的溶剂是已知的。现已发现凝固介质中的硫酸浓度影响氯磺酸在硫酸中的反应。在凝固介质中的硫酸浓度为高、例如96%的硫酸时，反应是缓慢的。凝固介质中的硫酸浓度越低，氯磺酸的反应就越快。例如，当使用70%的硫酸作为凝固介质时，所述反应比96%硫酸的情况明显更快，但仍然是可控的。氯磺酸与仅包含水(即0%硫酸)的凝固介质的反应变得非常猛烈。可使用不同浓度的凝固介质来控制积聚的石墨烯带纤维在凝固介质中的凝固速度。优选地，凝固介质是浓度落在70%至100%的范围内、更优选地在90%至100%的范围内的硫酸。在凝固介质中的硫酸浓度为高时，凝固反应将是缓慢的并且可拉伸积聚的石墨烯带纤维。在凝固介质中的硫酸浓度较低时，凝固反应将是快速的，从而降低积聚的石墨烯带纤维的可拉伸性。因此，通过改变凝固剂浓度，可调整积聚的石墨烯带纤维的可拉伸性。积聚的石墨烯带纤维的较高可拉伸性对于包含长石墨烯带的纤维而言尤其是有利的。积聚的石墨烯带纤维的较高加速度导致纤维中的石墨烯带的较高取向，并且因此在石墨烯带纤维中获得较高的强度。可选择地，凝固介质的温度可用于控制溶剂在凝固介质中的反应速度并控制积聚的石墨烯带纤维的凝固速度和因此积聚的石墨烯带纤维的可拉伸性。包含位于氯磺酸内的石墨烯带的纺丝原液在包含硫酸的凝固介质中的凝固反应可为强放热性的。优选地，凝固介质的热容量足够大，以避免凝固介质沸腾。包含作为凝固介质的硫酸的凝固浴的热容量既取决于硫酸的浓度，又取决于凝固浴的温度。凝固浴的温度应该不低于0° C，以防止设备结冰。凝固浴的温度应该高于凝固 介质的熔点。当凝固介质为水时，凝固浴的温度应该高于0° C，以避免凝固浴中结冰。当使用硫酸作为凝固介质时，必须小心地维持凝固浴的温度，因为硫酸的熔点极大地取决于其浓度。优选地，凝固浴的温度在0° C至10° C的范围内，更优选地，凝固浴的温度为5° C，以在设备和/或凝固浴中不结冰的情况下实现凝固介质中的最大热容量。石墨烯带纤维的速度和因此在气隙或凝固介质中的加速度通常由速度驱动的(speed-driven)导丝棍(其位于石墨烯带纤维已被中和并洗漆的位置)的速度确定。然而，当积聚的纤维被直接纺制到凝固介质中时或者当积聚的石墨烯带纤维在所选择的凝固介质中缓慢地凝固时，也可通过凝固介质的流速来提高积聚的纤维的加速度。在根据本专利技术的工艺中，凝固介质优选沿与石墨烯带纤维相同的方向流动。凝固介质的流速可选择成低于、等于或高于石墨烯带纤维的速度。当凝固速度较低时，例如当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·M·肯德尔斯，J·J·米尔曼，S·M·坎珀尔曼，R·F·瓦尔贝克特尔，J·容德，A·A·T·H·拉迭尔，M·J·奥托，
申请(专利权)人：帝人芳纶有限公司，
类型：
国别省市：