CN104494249A - 一种石墨烯高阻隔复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石墨烯材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯高阻隔复合薄膜，包括至少一层复合薄膜，每层复合薄膜包括聚对二甲苯薄膜和石墨烯薄膜，所述聚对二甲苯薄膜和所述石墨烯薄膜交替层状组合，且最底层和最顶层均为聚对二甲苯薄膜。本发明的有益效果是：本发明方法将柔性的石墨烯薄膜和聚对二甲苯薄膜层状交替复合，大幅度提高了对气体的阻隔性，解决了现有柔性透明薄膜阻隔性不佳的问题。此外，所制备的层状复合薄膜材料还兼具良好的力学、化学稳定性、柔韧性以及高透明性，在医药、食品、电子产品包装、封装等领域有着广泛应用。

Description

一种石墨烯高阻隔复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯高阻隔复合薄膜。
背景技术
石墨烯是近十年发现的新型二维碳纳米材料，由碳原子呈六角形紧密排列构成，碳六元环孔隙尺寸仅0.15nm，比已知的最小气体分子直径(氦气0.25nm)还要小，具备天然的气体不透过性；此外，单层石墨烯对可见光透过率大于97％。这两点使得石墨烯成为最理想的高效透明阻隔材料。
单层石墨烯厚度仅0.34nm，因此，其必须与其它材料进行复合才能实际应用。目前，利用石墨烯制备阻隔性材料的方法主要是将氧化石墨烯(GO)或还原氧化石墨烯(RGO)粉体为改性填充料，借助于溶剂与聚合物混合，继而通过流延、模压、浇筑、吹塑等成型方法制备复合薄膜。例如：申请公布号为CN102115566A，专利名称为“高阻隔性氧化石墨烯和聚合物纳米复合膜的制备方法”，公开了一种高阻隔性氧化石墨烯/聚合物纳米复合材料的制备方法：将氧化石墨烯在超声分散条件下分散于溶剂中，形成氧化石墨烯胶体。然后加入聚合物，超声加机械搅拌条件下溶解聚合物，脱除气泡后采用流延或吹塑得到氧化石墨烯/聚合物复合薄膜；申请公布号为CN101812194A，专利名称“一种石墨烯基阻隔复合材料及其制备方法”，提供了一种功能改性还原氧化石墨烯与聚烯烃聚合物复合方法。具体是先用偶联剂对氧化石墨烯进行表面功能修饰，再将修饰后的氧化石墨烯还原。借助于溶剂将修饰还原氧化石墨烯均匀分散到聚烯烃溶液中，在引发剂作用下交联键合得到纳米复合材料；申请公布号为CN102173145A，专利名称为“一种氧化石墨烯涂覆膜的制备方法”，公开了一种简单的石墨烯/聚合物薄膜复合方法。具体步骤是先将氧化石墨烯超声处理分散到水中得到均匀胶体悬浮液，通过喷涂或辊压的方式将氧化石墨烯涂覆在通用薄膜表面，干燥后再涂覆若干次，最后覆盖一层通用薄膜，得到氧化石墨烯涂覆薄膜。类似的还有：申请公布号为CN10327368A，专利名称为“机械共混制备氧化石墨烯/白炭黑/橡胶纳米复合材料的方法”；申请公布号为CN102532629A，专利名称为“完全剥离的氧化石墨烯/橡胶纳米复合材料的制备方法”；申请公布号为CN102827386A，专利名称为“一种聚醚醚酮/氧化石墨烯纳米复合薄膜的制备方法”；申请公布号为CN103265714A，专利名称为“一种聚乙烯醇/氧化石墨烯复合薄膜的制备方法”；申请公布号为CN102604175，专利名称为“制备氧化石墨烯/白炭黑/橡胶纳米复合材料的方法”。区别是选用的聚合物体系不同或氧化石墨烯/聚合物复合成型方法不同。
上述公开方法囊括了多种聚合物体系，涵盖了多种氧化石墨烯或还原氧化石墨烯/聚合物复合成型技术。但氧化石墨烯和还原氧化石墨烯本身存在大尺寸结构缺陷，阻隔性能相对于石墨烯较差；另一方面，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯要与气体渗透路径垂直才能明显发挥阻隔作用，对于大小仅微米量级的氧化石墨烯或还原氧化石墨烯来说，要让其在所制备的复合材料中沿水平方向取向无疑是非常困难的。因此，上述方法制备的复合材料阻隔性能不佳，水氧透过速率约10-1-10-2量级，仅能满足低端应用需求。此外，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的加入使材料透光率大幅度降低，严重限制了其在电子器件封装方面的应用，尤其是有机发光二极管(OLED)透明阻隔封装。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯高阻隔复合薄膜以及其制备方法，所制备的复合薄膜材料透明度高，还兼具良好的力学、化学稳定性、柔韧性。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种石墨烯高阻隔复合薄膜，包括至少一层复合薄膜，每层复合薄膜包括聚对二甲苯薄膜和石墨烯薄膜，所述聚对二甲苯薄膜和所述石墨烯薄膜交替层状组合，且最底层和最顶层均为聚对二甲苯薄膜。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述聚对二甲苯薄膜为对二甲苯或聚3-氯对二甲苯或聚2，5-二氯对二甲苯或聚氟代对二甲苯。
进一步，多个所述石墨烯高阻隔复合薄膜通过粘合剂粘合成多层复合薄膜。
进一步，所述粘合剂为加热固化的环氧及聚氨酯粘合剂、自由基及阳离子型光固化粘合剂、湿气固化的氰基丙烯酸酯粘合剂、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)热熔型粘合剂中的一种或几种混合。
本发明的有益效果是：本发明方法将柔性的石墨烯薄膜和聚对二甲苯薄膜层状交替复合，大幅度提高了对气体的阻隔性，解决了现有柔性透明薄膜阻隔性不佳的问题。此外，所制备的层状复合薄膜材料还兼具良好的力学、化学稳定性、柔韧性以及高透明性，在医药、食品、电子产品包装、封装等领域有着广泛应用。
一种石墨烯高阻隔复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在附着在金属基底上的石墨烯的表面沉积聚对二甲苯薄膜；
步骤二，分离金属基底得到石墨烯薄膜和聚对二甲苯薄膜相贴合的双层结构薄膜；
步骤三，在双层结构薄膜上的石墨烯薄膜另一个表面上再次沉积聚对二甲苯薄膜得到依次为聚对二甲苯薄膜、石墨烯薄膜和聚对二甲苯薄膜的层状结构的复合薄膜。
步骤四，将两个或两个以上复合薄膜通过粘合剂固定得到多层复合薄膜。
进一步，所述步骤一种所述的聚对二甲苯为对二甲苯或聚3-氯对二甲苯或聚2，5-二氯对二甲苯或聚氟代对二甲苯。
进一步，所述步骤一所述的金属基底为铜或镍或铂。
进一步，所述步骤二分离金属基底的方法为溶液蚀刻金属法或电解水鼓泡法。
进一步，所述步骤四所述的粘合剂为热固性粘合剂、光固性粘合剂及热熔性粘合剂中的一种或几种混合。
采用上述进一步方案的有益效果是：以化学气相沉积法生长的大面积单层石墨烯及聚对二甲苯薄膜为气体阻隔层，两种之间以范德华力之间复合得到复合薄膜，制备过程温和，石墨烯薄膜和聚对二甲苯薄膜之间形成分子间的紧密接触支承，所沉积的聚对二甲苯薄膜厚度均匀、致密无针孔、透明无应力，不会对石墨烯薄膜造成损伤，所制备的富恶化薄膜材料透明度高，还兼具良好的力学、化学稳定性、柔韧性。
附图说明
图1为本发明一种石墨烯高阻隔复合薄膜的结构示意图；
图2为本发明一种石墨烯高阻隔复合薄膜的两层结构示意图；
图3为本发明一种石墨烯高阻隔复合薄膜的制备方法的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、聚对二甲苯薄膜，2、石墨烯薄膜，3、粘合剂。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明所述的一种石墨烯高阻隔复合薄膜包括至少一层复合薄膜，每层复合薄膜包括聚对二甲苯薄膜1和石墨烯薄膜2，所述聚对二甲苯薄膜1和所述石墨烯薄膜2交替层状组合，且最底层和最顶层均为聚对二甲苯薄膜1。
所述聚对二甲苯薄膜1为对二甲苯或聚3-氯对二甲苯或聚2，5-二氯对二甲苯或聚氟代对二甲苯。
如图2所示，多个所述石墨烯高阻隔复合薄膜通过粘合剂2粘合成多层复合薄膜。
所述粘合剂2为加热固化的环氧及聚氨酯粘合剂、自由基及阳离子型光固化粘合剂、湿气固化的氰基丙烯酸酯粘合剂、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)热熔型粘合剂中的一种或几种混合。
如图3所示，一种石墨烯高阻隔复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一S01，在附着在金属基底上的石墨烯的表面沉积聚对二甲苯薄膜；
步骤二S02，分离金属基底得到石墨烯薄膜2和聚对二甲苯薄膜1相贴合的双层结构薄膜；
步骤三S03，在双层结构薄膜上的石墨烯薄膜2另一个表面上再次沉积聚对二甲苯得到依次为聚对二甲苯薄膜1、石墨烯薄膜2和聚对二甲苯薄膜1的层状结构的复合薄膜。
步骤四S04，将两个或两个以上复合薄膜通过粘合剂2固定得到多层复合薄膜。
所述步骤一种所述的聚对二甲苯为对二甲苯或聚3-氯对二甲苯或聚2，5-二氯对二甲苯或聚氟代对二甲苯。
所述步骤一所述的金属基底为铜或镍或铂。
所述步骤二分离金属基底的方法为化学溶液刻蚀法(是指利用溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除金属基底)或电化学鼓泡法(通过电解水产生气泡分离石墨烯和金属基底)。
所述步骤四所述的粘合剂2为加热固化的环氧及聚氨酯粘合剂、自由基及阳离子型光固化粘合剂、湿气固化的氰基丙烯酸酯粘合剂、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)热熔型粘合剂中的一种或几种
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明方法将连续的二维的石墨烯薄膜2和聚对二甲苯薄膜1层状交替复合，最大限度地利用了两者优异的阻隔性能，解决了现有柔性透明薄膜阻隔性不佳的问题。本发明方法制备条件温和，适用于温敏性的塑料基材。此外，所制备的层状复合薄膜具良好的力学、化学稳定性、柔韧性以及高透明性，特别适用于医药、食品、电子产品包装、封装等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石墨烯高阻隔复合薄膜，其特征在于，包括至少一层复合薄膜，每层复合薄膜包括聚对二甲苯薄膜和石墨烯薄膜，所述聚对二甲苯薄膜和所述石墨烯薄膜交替层状组合，且最底层和最顶层均为聚对二甲苯薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯高阻隔复合薄膜，其特征在于，所述聚对二甲苯薄膜为对二甲苯或聚3-氯对二甲苯或聚2，5-二氯对二甲苯或聚氟代对二甲苯。
3.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯高阻隔复合薄膜，其特征在于，多个所述复合薄膜通过粘合剂粘合成多层复合薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯高阻隔复合薄膜，其特征在于，所述粘合剂为加热固化的环氧及聚氨酯粘合剂、自由基及阳离子型光固化粘合剂、湿气固化的氰基丙烯酸酯粘合剂、乙烯-醋酸乙烯酯热熔型粘合剂中的一种或几种混合。
5.一种石墨烯高阻隔复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在附着在金属基底上的石墨烯的表面沉积聚对二甲苯薄膜；
步骤二，分离金属基底得到石墨烯薄膜和聚对二甲苯薄膜相贴合的双层结构薄膜；
步骤三，在双层结构薄膜上的石墨烯薄膜另一个表面上再次沉积聚对二甲苯薄膜得到依次为聚对二甲苯薄膜、石墨烯薄膜和聚对二甲苯薄膜的层状结构的复合薄膜；
步骤四，将两个或两个以上复合薄膜通过粘合剂3固定得到多层复合薄膜。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯高阻隔复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤一种所述的聚对二甲苯薄膜为聚对二甲苯或聚3-氯对二甲苯或聚2，5-二氯对二甲苯或聚氟代对二甲苯。
7.根据权利要求5或6所述的一种石墨烯高阻隔复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤一所述的金属基底为铜或镍或铂。
8.根据权利要求5或6所述的一种石墨烯高阻隔复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二分离金属基底的方法为溶液蚀刻金属法或电解水鼓泡法。
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