CN103804706A - 一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法，该有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜包括：聚酰亚胺基层、导电覆盖圈、有序石墨烯外层；该有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法包括：通过聚酰亚胺液态化、固化的聚酰亚胺薄膜、预分散的导电涂料、初次包裹、亚胺化、制成导电聚酰亚胺薄膜、研磨、生成氧化石墨烯胶状悬浮液、二次包裹、出品，制备有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜。本发明利用氧化石墨烯胶状悬浮液对导电聚酰亚胺薄膜进行二次导电涂液包裹的加工处理，使导电性大大增强；采用低廉的原料制造，降低了生产成本；制备方法简单，提高了生产效率。

Description

一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备技术领域，尤其涉及一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是单原子厚度的二维碳原子晶体，它被认为是富勒烯、碳纳米管(CNT)和石墨的基本结构单元。2004年，Ceim等用胶带粘贴法从高结晶石墨块上剥下少量单层石墨烯，并对其电学性质研究，发现其具有特殊的电子特性，如量子霍尔效应，在高电场诱导密度下仍能保持载流子的高迁移率，在开发新型电子组件方面有很大的潜力。2007隼，美国西北大学Ruoff等通过超声剥离氧化石墨制备了氧化石墨烯胶状悬浮液，并对该悬浮液进行微滤操作，随着水分子透过，氧化石墨烯逐步沉积，并在水流作用下实现有序的瓦片式堆叠，即定向流动组装，得到了高强度的韧性氧化石墨烯薄膜。这种纳米有序结构薄膜材料可用于可控透气性膜，各向异性离子导体，分子探测及微电子领域有诸多领域。同时，依托其丰富的表面官能团，化学改性后，还可实现与树脂，陶瓷，金属等基体的复合，有序石墨烯与导电聚酰亚胺薄膜构成的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜具有良好的导电性能。
传统的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法存在导电效果差、制作过程复杂、成本高的问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法，旨在解决传统的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法存在导电效果差、制作过程复杂、成本高的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法，该有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法包括以下步骤：
步骤一，将均苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚加入到极强性溶剂二甲基乙酰胺中，其中苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚的比例按体积比为1:3-1：4，混合反应生成聚酰亚胺溶液，利用消泡机将泡沫消去，经流涎装置进行压膜，形成液膜；
步骤二，将液膜经过阶梯升温、高温干燥后蒸发成为固体的聚酰亚胺薄膜；
步骤三，将金属粉和碳粉按照重量比在2:3-1:2之间的混合粉末加入到溶剂中生成导电涂液，利用分散机对导电涂液进行分散；
步骤四，将聚酰亚胺薄膜放置在导电涂液之中，首先将导电涂液包裹在聚酰亚胺薄膜的表面；
步骤五，将包裹了导电涂液的聚酰亚胺薄膜引向亚胺化炉，进行亚胺化处理，即室温搅拌24h，加入吡啶和乙酸酐，其中乙酸酐的摩尔数是苯四甲酸二酐的10倍，吡啶的摩尔数是乙酸酐的一半，然后在室温下搅拌一夜；
步骤六，经亚胺化后的导电聚酰亚胺薄膜经干燥后制成导电聚酰亚胺薄膜；
步骤七，石墨粉、59硝酸钠和浓硫酸混合均匀，发生化学反应后，其中石墨粉和59硝酸钠的重量比为2:1，浓硫酸浓度在98%以上，经40CC真空干燥得到氧化石墨，将氧化石墨经研磨机研碎；
步骤八，配制浓度为3.5mg/mL的悬浮液200，经离心机处理20min除去悬浮液中杂质，得到氧化石墨烯胶状悬浮液；
步骤九，将导电聚酰亚胺薄膜浸入到氧化石墨烯胶状悬浮液内，对导电聚酰亚胺薄膜进行第二次包裹处理，通过加入悬浮液的体积来控制薄膜厚度，经烘干处理生成石墨烯导电聚酰亚胺薄膜；
步骤十，将石墨烯导电聚酰亚胺薄膜在乙醇溶液中还原处理l小时，并由棕色半透明转变为黑色不透明，用无水乙醇冲洗并晾干处理后得到有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜。
进一步，在步骤二的阶梯升温过程中控制升温速率为2～5℃/min；先升温到80℃～120℃恒温30min～90min；再升温到180℃～220℃恒温30min～90min；最后升温到280℃～380℃恒温30min～90min。
进一步，步骤七中进行氧化石墨反应时，使用超声分散60min，然后加入还原剂，在120～130℃条件下进行还原反应1～2小时，并且氧化石墨是利用化学氧化法对天然鳞片石墨进行氧化获得的。
进一步，步骤九的具体方法为：采用浸入法使氧化石墨烯胶状悬浮液完全包裹在导电聚酰亚胺薄膜的外表面。
进一步，在步骤十的具体方法为：采用化学还原和热处理对石墨烯导电聚酰亚胺薄膜进行脱氧重石墨化，制成以石墨烯为碳源的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜。
本发明实施例的另一目的在于提供一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜，该有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜包括：聚酰亚胺基层、导电覆盖圈、有序石墨烯外层；
聚酰亚胺基层设置在导电覆盖圈的内部，导电覆盖圈设置在有序石墨烯外层的内部，有序石墨烯外层设置在有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的最外部。
进一步，聚酰亚胺基层设置在导电覆盖圈采用均苯四甲酸二酐、二氨基二苯醚和极强性溶剂二甲基乙酰胺制成。
进一步，导电覆盖圈采用金属粉和碳粉的混合粉末制成。
进一步，有序石墨烯外层采用石墨粉、硝酸钠与浓硫酸混合反应生成的氧化石墨制成。
本发明提供的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法，利用氧化石墨烯胶状悬浮液对导电聚酰亚胺薄膜进行二次导电涂液包裹的加工处理，使导电性大大增强；采用低廉的原料制造，降低了生产成本；制备方法简单，提高了生产效率。本发明的结构简单，操作方便，较好的解决了传统的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜及其制备方法存在导电效果差、制作过程复杂、成本高的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的结构示意图；
图中：1、聚酰亚胺基层；2、导电覆盖圈；3、有序石墨烯外层；
图2是本发明实施例提供的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜主要由：聚酰亚胺基层1、导电覆盖圈2、有序石墨烯外层3组成；
聚酰亚胺基层1设置在导电覆盖圈2的内部，导电覆盖圈2设置在有序石墨烯外层3的内部，有序石墨烯外层3设置在有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的最外部；
聚酰亚胺基层1设置在导电覆盖圈2采用均苯四甲酸二酐(PMDA)、二氨基二苯醚(ODA)和极强性溶剂二甲基乙酰胺(DMAC)制成；
导电覆盖圈2设置在有序石墨烯外层3采用金属粉和碳粉的混合粉末制成；
有序石墨烯外层3采用石墨粉、硝酸钠与浓硫酸混合反应生成的氧化石墨制成。
如图2所示，本发明实施例的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法包括以下步骤：
S201，将均苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚加入到极强性溶剂二甲基乙酰胺中，其中苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚的比例按体积比为1:3-1：4，混合反应生成聚酰亚胺溶液，利用消泡机将泡沫消去，经流涎装置进行压膜，形成液膜；
S202，将液膜经过阶梯升温、高温干燥后蒸发成为固体的聚酰亚胺薄膜；
S203，将金属粉和碳粉按照重量比在2:3-1:2之间的混合粉末加入到溶剂中生成导电涂液，利用分散机对导电涂液进行分散；
S204，将聚酰亚胺薄膜放置在导电涂液之中，首先将导电涂液包裹在聚酰亚胺薄膜的表面；
S205，将包裹了导电涂液的聚酰亚胺薄膜引向亚胺化炉，进行亚胺化处理，即室温搅拌24h，加入吡啶和乙酸酐，其中乙酸酐的摩尔数是苯四甲酸二酐的10倍，吡啶的摩尔数是乙酸酐的一半，然后在室温下搅拌一夜；
S206，经亚胺化后的导电聚酰亚胺薄膜经干燥后制成导电聚酰亚胺薄膜；
S207，石墨粉、59硝酸钠和浓硫酸混合均匀，发生化学反应后，其中石墨粉和59硝酸钠的重量比为2:1，浓硫酸浓度在98%以上，经40CC真空干燥得到氧化石墨，将氧化石墨经研磨机研碎；
S208，配制浓度为3.5mg/mL的悬浮液200，经离心机处理20min除去悬浮液中杂质，得到氧化石墨烯胶状悬浮液；
S209，将导电聚酰亚胺薄膜浸入到氧化石墨烯胶状悬浮液内，对导电聚酰亚胺薄膜进行第二次包裹处理，通过加入悬浮液的体积来控制薄膜厚度，经烘干处理生成石墨烯导电聚酰亚胺薄膜；
S210，将石墨烯导电聚酰亚胺薄膜在乙醇溶液中还原处理l小时，并由棕色半透明转变为黑色不透明，用无水乙醇冲洗并晾干处理后得到有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜。
进一步，在S202的阶梯升温过程中控制升温速率为2～5℃/min；先升温到80℃～120℃恒温30min～90min；再升温到180℃～220℃恒温30min～90min；最后升温到280℃～380℃恒温30min～90min。
进一步，S207中进行氧化石墨反应时，使用超声分散60min，然后加入还原剂，在120～130℃条件下进行还原反应1～2小时，并且氧化石墨是利用化学氧化法对天然鳞片石墨进行氧化获得的。
进一步，S209的具体方法为：采用浸入法使氧化石墨烯胶状悬浮液完全包裹在导电聚酰亚胺薄膜的外表面。
进一步，S210的具体方法为：采用化学还原和热处理对石墨烯导电聚酰亚胺薄膜进行脱氧重石墨化，制成以石墨烯为碳源的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜。
本发明通过聚酰亚胺液态化、固化的聚酰亚胺薄膜、预分散的导电涂料、初次包裹、亚胺化、制成导电聚酰亚胺薄膜、研磨、生成氧化石墨烯胶状悬浮液、二次包裹、出品，制备有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜，利用氧化石墨烯胶状悬浮液对导电聚酰亚胺薄膜进行二次导电涂液包裹的加工处理，使导电性大大增强；采用低廉的原料制造，降低了生产成本；制备方法简单，提高了生产效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于，该有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法包括以下步骤：
步骤一，将均苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚加入到极强性溶剂二甲基乙酰胺中，其中苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚的比例按体积比为1:3-1：4，混合反应生成聚酰亚胺溶液，利用消泡机将泡沫消去，经流涎装置进行压膜，形成液膜；
步骤二，将液膜经过阶梯升温、高温干燥后蒸发成为固体的聚酰亚胺薄膜；
步骤三，将金属粉和碳粉按照重量比在2:3-1:2之间的混合粉末加入到溶剂中生成导电涂液，利用分散机对导电涂液进行分散；
步骤四，将聚酰亚胺薄膜放置在导电涂液之中，首先将导电涂液包裹在聚酰亚胺薄膜的表面；
步骤五，将包裹了导电涂液的聚酰亚胺薄膜引向亚胺化炉，进行亚胺化处理，即室温搅拌24h，加入吡啶和乙酸酐，其中乙酸酐的摩尔数是苯四甲酸二酐的10倍，吡啶的摩尔数是乙酸酐的一半，然后在室温下搅拌一夜；
步骤六，经亚胺化后的导电聚酰亚胺薄膜经干燥后制成导电聚酰亚胺薄膜；
步骤七，石墨粉、59硝酸钠和浓硫酸混合均匀，发生化学反应后，其中石墨粉和59硝酸钠的重量比为2:1，浓硫酸浓度在98%以上，经40CC真空干燥得到氧化石墨，将氧化石墨经研磨机研碎；
步骤八，配制浓度为3.5mg/mL的悬浮液200，经离心机处理20min除去悬浮液中杂质，得到氧化石墨烯胶状悬浮液；
步骤九，将导电聚酰亚胺薄膜浸入到氧化石墨烯胶状悬浮液内，对导电聚酰亚胺薄膜进行第二次包裹处理，通过加入悬浮液的体积来控制薄膜厚度，经烘干处理生成石墨烯导电聚酰亚胺薄膜；
步骤十，将石墨烯导电聚酰亚胺薄膜在乙醇溶液中还原处理l小时，并由棕色半透明转变为黑色不透明，用无水乙醇冲洗并晾干处理后得到有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜。
2.如权利要求1所述的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤二的阶梯升温过程中控制升温速率为2～5℃/min；先升温到80℃～120℃恒温30min～90min；再升温到180℃～220℃恒温30min～90min；最后升温到280℃～380℃恒温30min～90min。
3.如权利要求1所述的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于，步骤七中进行氧化石墨反应时，使用超声分散60min，然后加入还原剂，在120～130℃条件下进行还原反应1～2小时，并且氧化石墨是利用化学氧化法对天然鳞片石墨进行氧化获得的。
4.如权利要求1所述的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于，步骤九的具体方法为：采用浸入法使氧化石墨烯胶状悬浮液完全包裹在导电聚酰亚胺薄膜的外表面。
5.如权利要求1所述的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤十的具体方法为：采用化学还原和热处理对石墨烯导电聚酰亚胺薄膜进行脱氧重石墨化，制成以石墨烯为碳源的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜。
6.一种有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜，其特征在于，该有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜包括：聚酰亚胺基层、导电覆盖圈、有序石墨烯外层；
聚酰亚胺基层设置在导电覆盖圈的内部，导电覆盖圈设置在有序石墨烯外层的内部，有序石墨烯外层设置在有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜的最外部。
7.如权利要求6所述的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜，其特征在于，聚酰亚胺基层设置在导电覆盖圈采用均苯四甲酸二酐、二氨基二苯醚和极强性溶剂二甲基乙酰胺制成。
8.如权利要求6所述的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜，其特征在于，导电覆盖圈采用金属粉和碳粉的混合粉末制成。
9.如权利要求6所述的有序石墨烯导电聚酰亚胺薄膜，其特征在于，有序石墨烯外层采用石墨粉、硝酸钠与浓硫酸混合反应生成的氧化石墨制成。
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