一種金屬復(fù)合纖維的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種金屬復(fù)合纖維的制備方法，首次將能夠快速加熱的微波技術(shù)與石墨烯衍生物的微波吸收特性和金屬纖維表面微波渦流加熱特性結(jié)合，同時結(jié)合石墨烯的高導(dǎo)熱能力及石墨烯層的熱量易于被快速交換轉(zhuǎn)移的特性，使得金屬纖維表面涂布的石墨烯衍生物能夠快速、低能耗地轉(zhuǎn)化為石墨烯從而獲得具有良好導(dǎo)電能力及抗腐蝕能力的復(fù)合金屬纖維，可以為金屬纖維、石墨烯材料的進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。

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.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種金屬復(fù)合纖維的制備方法
本專利技術(shù)屬于材料領(lǐng)域，涉及一種金屬復(fù)合纖維特別是通過微波加熱石墨烯衍生物溶液涂布金屬纖維而獲得核為金屬纖維殼為石墨烯層的復(fù)合纖維的方法。
技術(shù)介紹
隨著社會的發(fā)展，金屬纖維由于擁有良好的機(jī)械性能、電學(xué)性能等眾多優(yōu)點(diǎn)而在包括電線電纜、機(jī)械增強(qiáng)、電極材料、傳感器件等廣泛領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而金屬纖維本身的包括腐蝕問題、導(dǎo)電性能還有待提高等一些問題的存在限制了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。因此金屬纖維的包覆修飾受到人們的高度關(guān)注，并在包括高分子包覆、涂料涂布、金屬復(fù)合等方面取得快速發(fā)展。而另外一方面，石墨烯作為一種二維導(dǎo)電材料，其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)(楊氏模量高達(dá)1.0TPa)、電學(xué)性質(zhì)(電子遷移率高達(dá)106cm2.v-1s-1)、熱學(xué)性質(zhì)(熱導(dǎo)系數(shù)高達(dá)5000w.m-1.k-1)、光學(xué)性質(zhì)(單層石墨烯的可見光吸收僅有2.3％和優(yōu)異的鎖模特性)，超大的理論比表面積(2630m2.g-1)不僅使得其在金屬表面修飾領(lǐng)域能夠有效發(fā)揮金屬和石墨烯的優(yōu)越性能，而且其片層結(jié)構(gòu)也使得其包覆效果良好，因此成為目前金屬表面修飾的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。目前人們開發(fā)了包括化學(xué)氣相沉積包覆、靜電粉末噴涂包覆、石墨烯復(fù)合膠黏劑涂布、氧化石墨烯溶液涂布等方法對金屬纖維進(jìn)行表面修飾，但是這些修飾方法存在的化學(xué)氣相沉積需要高溫等條件而成本昂貴的問題，靜電粉末噴涂由于石墨烯粉末團(tuán)聚而難以使得石墨烯平面鋪展均勻包覆材料的問題，石墨烯膠黏劑由于高分子材料的添加將影響石墨烯導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力發(fā)揮的問題，而單純氧化石墨烯溶液涂布則存在氧化石墨烯性能遠(yuǎn)低于石墨烯性能和化學(xué)還原存在環(huán)境污染并且可能損傷金屬纖維本身及高溫還原能耗大、周期長等問題，因此目前人們?nèi)匀黄诖霈F(xiàn)新的包覆技術(shù)使得石墨烯包覆復(fù)合金屬纖維能夠更好地服務(wù)社會。為此本申請首次提出在金屬纖維上首先通過石墨烯衍生物溶液涂布而獲得石墨烯衍生物層包覆的金屬復(fù)合纖維，然后在設(shè)定氣氛條件下復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過整個微波加熱區(qū)，利用石墨烯衍生物中石墨烯微區(qū)的微波吸收能力及金屬纖維表面數(shù)微米深度的渦流加熱特性使得氧化的石墨烯衍生物層或者石墨烯邊緣衍生物層及金屬表面層由于微波作用而快速升溫并還原氧化的石墨烯衍生物或者脫石墨烯邊緣衍生物的邊緣官能團(tuán)而轉(zhuǎn)化為石墨烯層，由于溶液涂布的石墨烯衍生物層以石墨烯基面鋪展的形態(tài)層層包覆在金屬纖維上，而此時高溫處理獲得的石墨烯層還由于不同石墨烯片層間π電子云之間的相互作用而可以保持較好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及機(jī)械性能。微波加熱(時間以秒計)由于選擇性地加熱石墨烯衍生物層及金屬纖維表面，因此可以避免其它升溫加熱由于需要長時間(時間以小時計)及熱傳輸?shù)榷l(fā)的高能耗。復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過整個微波爐加熱區(qū)的方式，一方面可以精確控制復(fù)合纖維的微波加熱時間。如一般微波爐加熱時間設(shè)定有30秒為單位的多個檔次，但是實(shí)驗表明在保護(hù)氣氛下加熱一個整檔就可能發(fā)生由于升溫過快而導(dǎo)致涂布的石墨烯衍生物層散亂甚至脫落，即使精密微波爐可以設(shè)定微波脈沖長度，但也難以設(shè)定可能最優(yōu)的加熱時間如1.2秒，而復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過微波加熱區(qū)則可以根據(jù)微波加熱區(qū)尺寸輕松獲得精確的最佳加熱時間。復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過微波加熱區(qū)還可以避免微波加熱區(qū)不同區(qū)域加熱效果不同帶來的加熱不均。事實(shí)上，將復(fù)合纖維放置在微波爐中加熱一段時間，取出后可以明顯感覺到放置在不同加熱區(qū)域的復(fù)合纖維加熱效果不一樣，這與微波爐中加熱電場的均勻性有關(guān)，雖然可以通過設(shè)計如曲面天線結(jié)構(gòu)等方式提高微波爐加熱均勻性，但其也有一定限度。而復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過整個微波加熱區(qū)則由于所有復(fù)合纖維均通過整個加熱區(qū)而獲得一致的加熱效果。當(dāng)然復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過整個微波加熱區(qū)還可以精確控制其冷卻時機(jī)。而本專利技術(shù)的復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過整個微波加熱區(qū)的方法還與纖維加工的工藝兼容，因此有助于金屬復(fù)合纖維的批量生產(chǎn)。且復(fù)合纖維離開微波加熱區(qū)即可以快速冷卻至設(shè)定溫度，因此大大縮短加工時間。所以本申請利用微波加熱以設(shè)定速度通過整個微波加熱區(qū)的石墨烯衍生物層包覆金屬復(fù)合纖維制備石墨烯層包覆金屬復(fù)合纖維的方法不僅能夠獲得表面具有良好導(dǎo)電、防腐能力的石墨烯層，而且由于使用即開即加熱且加熱具有選擇性的微波加熱技術(shù)而能夠有效降低能耗并縮短加工時間因此有助于石墨烯層包覆修飾的金屬復(fù)合纖維的進(jìn)一步研發(fā)及推廣應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
技術(shù)問題：本專利技術(shù)的目的是提供一種金屬纖維表面涂布石墨烯層而獲得金屬復(fù)合纖維的方法，通過在金屬纖維表面溶液涂布石墨烯衍生物層形成金屬復(fù)合纖維，然后金屬復(fù)合纖維在惰性氣氛、還原性氣氛或者真空環(huán)境下以設(shè)定速度通過整個微波爐加熱區(qū)域以精確控制加熱時間、冷卻時機(jī)并避免加熱不均勻，利用微波選擇性地加熱石墨烯衍生物中的石墨烯微區(qū)及金屬纖維表面(深度為數(shù)微米)而高溫處理石墨烯衍生物層，從而獲得在金屬纖維表面包覆有石墨烯層的復(fù)合纖維。該方法不但可以避免目前存在的粉末靜電噴涂的包覆不均勻性、高分子混合涂料由于高分子的混合對石墨烯衍生物性能呈現(xiàn)的影響及化學(xué)還原存在的污染問題和普通高溫還原的費(fèi)時與高能耗等問題，可以方便、快捷、低能耗地制備石墨烯層包覆的金屬復(fù)合纖維，因此有助于金屬復(fù)合纖維的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。技術(shù)方案：本專利技術(shù)的一種金屬復(fù)合纖維的制備方法為：首先配制石墨烯衍生物溶液，然后將石墨烯衍生物溶液涂布在選定的金屬纖維表面形成石墨烯衍生物包覆的金屬復(fù)合纖維，隨后在設(shè)定氣氛下使得金屬復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過微波加熱區(qū)導(dǎo)致金屬纖維表面因為渦流作用而升溫，同時石墨烯衍生物層則因為吸收微波而升溫并使得金屬復(fù)合纖維表面的石墨烯衍生物層因為高溫作用而轉(zhuǎn)化為石墨烯層，隨后金屬復(fù)合纖維離開微波加熱區(qū)并被冷卻，然后擠壓處理即可獲得石墨烯層包覆的金屬復(fù)合纖維。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還原的氧化石墨烯和石墨烯邊緣衍生物。所述設(shè)定氣氛是指惰性氣氛、還原性氣氛或者真空狀態(tài)；所述惰性氣氛是指氣體不與氧化石墨烯衍生物反應(yīng)的氣體如氮?dú)狻⒑狻鍤猓凰鲞€原性氣氛是指氣體中含有能夠還原石墨烯衍生物的氣體如氫氣、醇類、烷烴類氣體；所述真空狀態(tài)是指氣壓小于4KPa。所述石墨烯衍生物層因為高溫作用而轉(zhuǎn)化為石墨烯層是指高溫作用導(dǎo)致氧化的石墨烯被還原而轉(zhuǎn)化為石墨烯，而石墨烯邊緣衍生物則發(fā)生脫邊緣官能團(tuán)的反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為石墨烯。所述石墨烯層包覆的金屬復(fù)合纖維中石墨烯層的碳含量大于90％。所述金屬復(fù)合纖維離開微波加熱區(qū)并被冷卻，是指通過冷的氣氛或者額外施加冷的氣流體而冷卻。所述金屬復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過微波加熱區(qū)根據(jù)微波加熱區(qū)尺寸控制加熱時間。所述在設(shè)定氣氛下使得金屬復(fù)合纖維被微波處理導(dǎo)致金屬纖維表面因為渦流作用而升溫，同時石墨烯衍生物層則因為吸收微波而升溫并使得金屬復(fù)合纖維表面的石墨烯衍生物層因為高溫作用而轉(zhuǎn)化為石墨烯層，隨后金屬復(fù)合纖維離開微波加熱區(qū)并被冷卻，該過程可以重復(fù)以多次高溫處理石墨烯衍生物層。所述將石墨烯衍生物溶液涂布在選定的金屬纖維表面形成石墨烯衍生物包覆的金屬復(fù)合纖維，隨后在設(shè)定氣氛下使得金屬復(fù)合纖維被微波處理導(dǎo)致金屬纖維表面因為渦流作用而升溫，同時石墨烯衍生物層則因為吸收微波而升溫并使得金屬復(fù)合纖維表面的石墨烯衍生物層因為高溫作用而轉(zhuǎn)化為石墨烯層，隨后金屬復(fù)合纖維離開微波加熱區(qū)并被冷卻，然本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種金屬復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，首先配制石墨烯衍生物溶液，然后將石墨烯衍生物溶液涂布在選定的金屬纖維表面形成石墨烯衍生物包覆的金屬復(fù)合纖維，隨后在設(shè)定氣氛下使得金屬復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過微波加熱區(qū)導(dǎo)致金屬纖維表面因為渦流作用而升溫，同時石墨烯衍生物層則因為吸收微波而升溫并使得金屬復(fù)合纖維表面的石墨烯衍生物層因為高溫作用而轉(zhuǎn)化為石墨烯層，隨后金屬復(fù)合纖維離開微波加熱區(qū)并被冷卻，然后擠壓處理即可獲得石墨烯層包覆的金屬復(fù)合纖維。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種金屬復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，首先配制石墨烯衍生物溶液，然后將石墨烯衍生物溶液涂布在選定的金屬纖維表面形成石墨烯衍生物包覆的金屬復(fù)合纖維，隨后在設(shè)定氣氛下使得金屬復(fù)合纖維以設(shè)定速度通過微波加熱區(qū)導(dǎo)致金屬纖維表面因為渦流作用而升溫，同時石墨烯衍生物層則因為吸收微波而升溫并使得金屬復(fù)合纖維表面的石墨烯衍生物層因為高溫作用而轉(zhuǎn)化為石墨烯層，隨后金屬復(fù)合纖維離開微波加熱區(qū)并被冷卻，然后擠壓處理即可獲得石墨烯層包覆的金屬復(fù)合纖維。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于所述石墨烯衍生物是指氧化石墨烯、還原的氧化石墨烯或石墨烯邊緣衍生物。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于所述設(shè)定氣氛是指惰性氣氛、還原性氣氛或者真空狀態(tài)；所述惰性氣氛是指氣體不與氧化石墨烯衍生物反應(yīng)的氣體；所述還原性氣氛是指氣體中含有能夠還原石墨烯衍生物的氣體；所述真空狀態(tài)是指氣壓小于4KPa。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于所述石墨烯衍生物層因為高溫作用而轉(zhuǎn)化為石墨烯層是指高溫作用導(dǎo)致氧化的石墨烯被還原，而石墨烯邊緣衍生物則發(fā)生脫邊緣官能團(tuán)的反應(yīng)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張繼中，
申請(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32