一种导电导热石墨复合线材及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及材料【技术领域】，具体涉及一种高性能导电导热石墨复合线材及其制备方法；本发明包括石墨烯50～100wt％、碳纳米管0.001～50wt％、纳米碳纤维0.001～50wt％和微米碳纤维0.001～50wt％；经过特殊方法制备而得导电导热石墨复合线材的导电率≥20，000S/cm、导热系数≥1，000W/m.K、强度≥25MPa、电流密度≥103A/cm2；可代替铜线，制作大载流超轻电线电缆、各种超轻线圈或磁体、甚至超轻马达。
【专利说明】一种导电导热石墨复合线材及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料【技术领域】，具体涉及一种导电导热石墨复合线材及其制备方法。
【背景技术】
[0002]电缆通常是由几根或几组导线每组至少两根绞合而成的类似绳索的电缆，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成整个外面包有高度绝缘的覆盖层。
[0003]电缆主要由以下4部分组成。①导电线心:用高电导率材料制成。根据敷设使用条件对电缆柔软程度的要求，每根线心可能由单根导线或多根导线绞合而成。②绝缘层:用作电缆的绝缘材料应当具有高的绝缘电阻，高的击穿电场强度，低的介质损耗和低的介电常数。电缆中常用的绝缘材料有油浸纸、聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯、橡皮等。电缆常以绝缘材料分类，例如油浸纸绝缘电缆、聚氯乙烯电缆、交联聚乙烯电缆等。③密封护套:保护绝缘线心免受机械、水分、潮气、化学物品、光等的损伤。对于易受潮的绝缘，一般采用铅或铝挤压密封护套。④保护覆盖层:用以保护密封护套免受机械损伤。
[0004]其中，现有导电线心通常为铜或铝；但是为了达到大载流要求，通常需要更粗的导电线心，这样就导致了更大的重量。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种导电导热石墨复合线材，该复合材料代替铜线，制作大载流、超轻电线电缆、各种超轻线圈或磁体、甚至超轻马达。
[0006]本发明的目的之二是提供所述导电导热石墨复合线材的制备方法。
[0007]本发明是通过以下技术方案来实现的:
[0008]一种导电导热石墨复合线材，所述石墨复合线材的直径为0.1?1000 μ m。
[0009]所述导电导热石墨复合线材包含石墨烯50?10wt %、碳纳米管0.001?50wt%、纳米碳纤维0.001?50wt%和微米碳纤维0.001?50wt%。
[0010]其中，所述导电导热石墨复合线材还包括0.001?50wt%的助剂；所述助剂为聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)、羧甲基纤维素钠(CMC)、壳聚糖、钛酸酯、聚乙烯醇(PVA)中的一种或几种混合。
[0011]较佳地，所述导电导热石墨复合线材的表面具有层叠和/或褶皱特征。
[0012]较佳地，所述导电导热石墨复合线材的晶粒尺寸为ΙΟμπι?500μπι ;至少^ 10 μ m,优选 > 50 μ m,更优选 > 100 μ m,最优选 > 500 μ m。
[0013]较佳地，所述导电导热石墨复合线材的密度为1.60g/cc?2.20g/cc。至少^ 1.60g/cc,优选> 1.80g/cc,更优选> 2.00g/cc,最优选> 2.20g/cc。
[0014]较佳地，所述导电导热石墨复合线材拉伸强度为20MPa?10MPa ;至少彡20MPa,优选彡30MPa，更优选彡50MPa，最优选彡10MPa0
[0015]较佳地，所述导电导热石墨复合线材导热率为1000W/m.K?3000W/m.K。至少彡 100ff/m.K、优选彡 1500ff/m.K，更优选彡 2000ff/m.K，最优选彡 3000ff/m.K。
[0016]较佳地，所述导电导热石墨复合线材电导率为10000S/cm?1000000S/cm ;电导率至少 > 10，000S/cm，优选 > 50，000S/cm，更优选 > 100，000S/cm，最优选 > 1000000S/cm。
[0017]较佳地,所述导电导热石墨复合线材的电流密度彡ΙΟΟΟΑ/cm2、优选彡5000A/cm2、更优选 > 50000A/cm2、最优选 > 100000A/cm2。
[0018]较佳地，所述石墨烯为层数层数< 100层(<34nm)的多层石墨烯、优选< 10层(< 3.4nm)的少层石墨烯、更优选< 5层(< 1.7nm)的少层石墨烯、最优选I?2层((0.68nm)的单层、双层石墨烯；
[0019]较佳地，所述碳纳米管为10?10nm的多壁管、3?1nm的少壁管、3?5nm双壁管、0.3?3nm单壁管中的一种或多种复合物。
[0020]较佳地，所述纳米碳纤维是指100?150nm的气相生长的碳纤维。
[0021]制备所述导电导热石墨复合线材的方法，包括如下制备步骤:
[0022]A.先将所述石墨烯制备成石墨烯浆料；(制备方法详见中国专利申请号为201210546111.3 的文献)；
[0023]B.称取所述量的石墨烯、碳纳米管、纳米碳纤维和微米碳纤维，加入所述量的助剂混合，高速搅拌得到石墨烯溶胶；
[0024]C.将得到的石墨烯溶胶以300?500ml/h的速度通过直径为0.1?1000 μ m的纺丝细管，并通过冷却水冷却凝固，制得纤维；
[0025]D将得到的纤维先用60?100°C热风吹干，再经带孔的对辊压制，压实后得到致密的复合纤维。
[0026]E.将得到致密的复合纤维经过1500?3800°C的高温进行再结晶石墨化处理，得到表面光滑平整的所述导电导热石墨复合线材。
[0027]本发明包括石墨烯50?10wt%、碳纳米管0.001?50wt%、纳米碳纤维0.001?50wt%和微米碳纤维0.001?50wt% ;并经过特殊方法制备而得导电导热石墨复合线材。
[0028]石墨烯为二维片状碳纳米材料，是石墨与碳纳米管的基本构造，其超优异的物理性能，已让石墨烯成为本世纪的超级热门材料。单层石墨烯具有高达2630m2/g的理论表面积和10_6ohm.cm的电阻率，以及径厚比(纵横比)极高的优点。石墨烯独特的面接触方式与导电碳黑的点接触，碳纳米管的线接触方式比较起来，更能有效降低接触电阻，使得以石墨烯为导电剂所形成的导电网络具有超低的电阻率。
[0029]以石墨烯为基础制作的导电、导热纤维，具有优良的导电、导热性，而密度仅为铜丝的四分之一到五分之一，理论电流密度是铜的100，000倍，类似于高温超导材料。在大电流电力运输和储存方面，轻捷、安全、节能都比金属铜线有很大的优势。在制备大电流、超轻线圈或磁体方面有明显的优势。使超轻马达成为可能。
[0030]具体的实施方式
[0031]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明，以助于本领域技术人员理解本发明。
[0032]实施例1
[0033]先将所述石墨烯按照中国专利申请号为201210546111.3的文献中的方法制备成石墨烯浆料。
[0034]1.称石墨烯浆料100kg、加入Ikg的CNT、加入Ikg的VGCF、加入Ikg的CF、再加入Ikg 的 PEO,合计:104kg ；
[0035]2.将该104kg混合浆料高速搅拌；
[0036]3.将得到的石墨烯溶胶以350ml/h的速度通过直径为100 μ m的纺丝细管，并通过冷却水冷却凝固；
[0037]4.将得到的纤维用80°C热风吹干；
[0038]5.将得到的纤维经带孔的对辊压制，得到压实后致密的石墨复合线材；
[0039]6.将得到的纤维经过2800°C的高温进行再结晶石墨化处理，得到表面光滑平整的石墨复合线材，其电阻率为lX10_5ohm.cm。
[0040]实施例2
[0041]先将所述石墨烯按照中国专利申请号为201210546111.3的文献中的方法制备成石墨烯浆料。
[0042]1.称石墨烯浆料100kg、加入CNT3kg、加入VGCF0.5kg、加入PE02kg,合计:105.5kg ；
[0043]2.将该105.5kg混合浆料高速搅拌；
[0044]3.将得到的石墨烯溶胶以500ml/h的速度通过直径为10 μ m的纺丝细管，并通过冷却水冷却凝固；
[0045]4.将得到的复合纤维用80°C热风吹干；
[0046]5.将得到的复合纤维经带孔的对辊压制，得到压实后致密的石墨复合线材；
[0047]6.将得到的复合纤维经过2000°C的高温进行再结晶石墨化处理，得到表面光滑平整的石墨复合线材,其电阻率为2X10_5ohm.cm。
[0048]实施例3
[0049]先将所述石墨烯按照中国专利申请号为201210546111.3的文献中的方法制备成石墨烯浆料。
[0050]1.称石墨烯衆料100kg、加入碳纳米管3kg JflAVGCF0.5kg、再加入壳聚糖2kg,合计:105.5kg ；
[0051]2.将该105.5kg混合浆料高速搅拌；
[0052]3.将得到的石墨烯溶胶以600ml/h的速度通过直径为5 μ m的纺丝细管，并通过冷却水冷却凝固；
[0053]4.将得到的复合纤维用80°C热风吹干；
[0054]6.将得到的复合纤维经带孔的对辊压制，得到压实后致密的石墨复合线材；
[0055]7.将以上复合纤维经过3000°C的高温进行再结晶石墨化处理，得到表面光滑平整的石墨复合线材，其电阻率为0.8X10_5ohm.cm。
[0056]上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述的特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括在本发明权利要求范围之内。
【权利要求】
1.一种导电导热石墨复合线材，其特征在于，所述石墨复合线材的直径为0.1?1000 μ mD
2.如权利要求1所述的导电导热石墨复合线材，其特征在于，所述导电导热石墨复合线材包含石墨烯50?10wt%、碳纳米管0.001?50wt%、纳米碳纤维0.001?50wt%和微米碳纤维0.001?50wt%。
3.如权利要求2所述的导电导热石墨复合线材，其特征在于，所述导电导热石墨复合线材还包括0.001?50wt%的助剂；所述助剂为聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、羧甲基纤维素钠、壳聚糖、钛酸酯、聚乙烯醇中的一种或几种混合。
4.如权利要求1或2所述的导电导热石墨复合线材，其特征在于，所述导电导热石墨复合线材的表面具有层叠和/或褶皱特征；所述导电导热石墨复合线材的晶粒尺寸为10 μ m ?500 μ m,密度为 1.60g/cc ?2.20g/cc,拉伸强度为 20MPa ?10MPa0
5.如权利要求1或2所述的导电导热石墨复合线材，其特征在于，所述导电导热石墨复合线材的导热率为1000W/m.K?3000W/m.K,电导率为10000S/cm?1000000S/cm，电流密度 ΙΟΟΟΑ/cm2 ?100000A/cm2。
6.如权利要求2所述的导电导热石墨复合线材，其特征在于，所述石墨烯为层数(100，厚度彡34nm的石墨烯。
7.如权利要求2所述的导电导热石墨复合线材，其特征在于，所述碳纳米管为10?10nm的多壁管、3?1nm的少壁管、3?5nm双壁管、0.3?3nm单壁管中的一种或多种复合物。
8.如权利要求2所述的导电导热石墨复合线材，其特征在于，所述纳米碳纤维是指100?150nm的气相生长的碳纤维。
9.如权利要求2所述的导电导热石墨复合线材，其特征在于，所述微米碳纤维是指3?10 μ m的碳纤维。
10.制备如权利要求1-9中任意一项所述导电导热石墨复合线材的方法，其特征在于，包括如下制备步骤: A.先将所述石墨烯制备成石墨烯浆料； B.称取所述量的石墨烯浆料、碳纳米管、纳米碳纤维和微米碳纤维，加入所述量的助剂混合，高速搅拌得到石墨烯溶胶； C.将得到的石墨烯溶胶以300?500ml/h的速度通过直径为0.1?1000 μ m的纺丝细管，并通过冷却水冷却凝固，制得纤维； D将得到的纤维先用60?100°C热风吹干，再经带孔的对辊压制，压实后得到致密的复合纤维。 E.将得到致密的复合纤维经过1500?3800°C的高温进行再结晶石墨化处理，得到所述导电导热石墨复合线材。
【文档编号】H01B5/00GK104269205SQ201410421879
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】李琦, 李召平, 何斌, 孙占威, 蔡庆荣 申请人:鸿纳（东莞）新材料科技有限公司