一种近分子尺度石墨烯纳米纤维及其制备方法

本发明属于碳纳米材料，具体涉及一种近分子尺度石墨烯纳米纤维及其制备方法。

背景技术：

1、组装分子链成若干碳原子层厚的二维石墨烯，其sp2杂化碳原子的固有共价键形成，固有共价键作用凸显，其电子和机械性能呈现出优异性，例如电导率为2.7×105s/m，young氏模量约为1100gpa，断裂强度为130gpa。在石墨烯的sp2基础上，形成sp3-sp2杂化键，相应物理属性发生改变，轻量、超强、硬性、弹性和导电等特性出现。赋予二维石墨烯和sp3-sp2杂化的优异特性到一维碳纤维，一种低于5纳米的新型碳纤维形成，优异的机械和电子特性值得期待。针对新型碳纤维的形成，采用近场电纺丝和热解相结合的方法，能够制备出直径小于10纳米的碳纤维阵列。此外，在硅表面实施氮气预处理、在超低电压下定向排列聚合物纳米纤维等，能够提高纳米尺度碳纤维的结晶程度，实现纳米尺度高结晶碳纤维的制备。但是，从结晶碳纳米纤维到若干碳原子层厚-新型碳纳米纤维的转变，面临以下挑战：(1)难以制造出若干碳原子层厚的碳纤维；(2)在若干碳原子层厚的碳纤维中，碳分子链难以完全定向且sp3难以杂化到sp2。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种近分子尺度石墨烯纳米纤维及其制备方法，通过定向近场电纺丝过程中的部分聚合物分子链，并控制热稳定和热解过程中的收缩和拉伸，发展出一种定向-收缩-拉伸的方法，制备出了一种近分子尺度石墨烯纳米纤维，具有高结晶度、高电导率和超强机械性能。

2、为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种近分子尺度石墨烯纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)在加热条件下，将聚丙烯腈(pan)溶解至有机溶剂中，得到pan溶液；

5、(2)以旋转的表面设有硅芯片的滚筒作为接收装置，将所述pan溶液通过电射流喷射在滚筒的硅芯片表面制备pan基纳米纤维阵列；所述硅芯片为表面覆有经氮气预处理且安装有碳支架的二氧化硅层的硅片基底；

6、(3)将负载有pan基纳米纤维阵列的硅芯片依次进行热稳定化处理和碳化处理，即得石墨烯纳米纤维。

7、本发明通过轴向定向部分相互穿插的pan基分子链、有序排列和定向碳分子链并将其与sp3-sp2键杂化，能够制备出新型碳纤维-若干碳原子层厚的石墨烯纤维。在此基础上，通过悬浮这些石墨烯纤维到碳支架间、施加电压和拉力到这些悬浮石墨烯上，能够揭示出超高的机械性能(模量和抗拉强度)和电导率。

8、优选的，步骤(1)中，所述加热的温度为100～110℃。在此温度下，有利于增强羰基和醇基的结合能强度，从而提高pan溶液的导电性和粘度。

9、优选的，步骤(1)中，所述有机溶剂为dmf，pan溶液的质量分数为8～9wt％。

10、优选的，步骤(2)中，所述电射流喷射的电压为35～500v。

11、优选的，步骤(2)中，所述滚筒的转速为300～900r/min。

12、在35v和400r/min的纤维阵列是平均直径约为130纳米(单根纤维)的笔直的纤维阵列；在500v和400r/min的纤维阵列是平均直径约为350纳米(单根纤维)的螺旋和卷曲的纤维阵列。

13、优选的，步骤(3)中，所述热稳定化处理的条件为：温度为110～115℃，时间为1小时。

14、优选的，步骤(3)中，所述碳化处理的条件为：温度为980～1050℃，时间为1小时。

15、在热稳定化和碳化过程中，pan基纳米纤维在加热和碳化反应的作用下发生径向收缩和轴向拉伸。

16、本发明还提供了一种近分子尺度石墨烯纳米纤维，由上述制备方法制得。

17、本发明的优势在于：

18、本发明开发出了一种分子链定向的技术，该技术能够用于制备核壳结构的pan基纤维、提高pan纤维到碳纤维的收缩率至95％、提高碳纤维的结晶度至高水平和sp2-和sp3-杂合键的形成，制备出近分子尺度石墨烯纤维并掺杂sp3键到该纤维，进而大大扩展了现有一维碳系统的范围，实现近分子尺度石墨烯纤维的超强机械性能和高电导率，经测试，超细石墨烯纤维的导电率达到1.02×107s/m，模量高达1933gpa，抗拉强度为1237gpa。

技术特征：

1.一种近分子尺度石墨烯纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述加热的温度为100～110℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述有机溶剂为dmf，pan溶液的质量分数为8～9wt％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述电射流喷射的电压为35～500v。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述滚筒的转速为300～900r/min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述热稳定化处理的条件为：温度为110～115℃，时间为1小时。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述碳化处理的条件为：温度为980～1050℃，时间为1小时。

8.一种近分子尺度石墨烯纳米纤维，其特征在于：由权利要求1～7任一项所述制备方法得到。

技术总结本发明提供了一种近分子尺度石墨烯纳米纤维及其制备方法，该技术能够用于制备核壳结构的PAN基纤维、提高PAN纤维到碳纤维的收缩率至95％、提高碳纤维的结晶度至高水平和sp<supgt;2</supgt;‑和sp<supgt;3</supgt;‑杂合键的形成，制备出近分子尺度石墨烯纤维并掺杂sp<supgt;3</supgt;键到该纤维，进而大大扩展了现有一维碳系统的范围，实现近分子尺度石墨烯纤维的超强机械性能和高电导率，经测试，超细石墨烯纤维的导电率达到1.02×10<supgt;7</supgt;S/m，模量高达1933Gpa，抗拉强度为1237Gpa。技术研发人员：邓炬锋,王淇琛,邹泰阳,杨观赐受保护的技术使用者：贵州大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5