CN105385112B - 一种石墨烯导电线材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种石墨烯导电线材及其制备方法，所述石墨烯导电线材由紫外光固化树脂单元层堆积固化而成，每个单元层包含多个相互独立的功能化石墨烯粉末2D填充区和紫外光固化树脂基材区，具有三维有序导电网络。具体将液态紫外光固化树脂涂敷到金属模具型腔中、刮平，获得液态紫外光固化树脂薄膜基材；然后将功能化石墨烯粉末喷射到液态紫外光固化树脂薄膜基材、固化；最后在拉丝装置驱动下，线材整体向下移动一个紫外光固化树脂薄膜基材厚度，重复上述过程，即可获得内嵌有石墨烯三维有序导电网络的导电线材。本发明通过控制功能化石墨烯微粉在紫外光固化树脂中分布状态和位置，获得一种石墨烯导电线材，其具有良好的导电性能和良好的绝缘性。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯导电线材及其制备方法，属于填充复合型电磁屏蔽材料及其制备技术领域。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维晶体材料。由于其独特的结构，石墨烯具有非常高的杨氏模量和热导率，分别约为1060GPa和3000W·m-1K-1；电导率则高达6000S/cm、比表面积高达2600m2/g，石墨烯拥有诸多优异性能，在航天军工、电磁防护、太阳能电池、超级电容器、柔性显示屏、传感器、能量储存、吸附和催化等诸多领域具有潜在应用前景，获得广泛研究。
随着各种电器的普及，如电子计算机、通讯卫星、高压输电网以及医用设备的广泛使用，由此带来的电磁辐射污染也越来越严重，为此必须进行电磁屏蔽，目前在电磁屏蔽行业用到的电磁屏蔽材料有表层导电型和填充复合型，其中表层导电型电磁屏蔽材料主要制造方法之一即导电涂料涂覆于塑料表面，加入的导电填料一般是金、银、铜、镍、等金属，金粉的导电性最高，化学稳定性好，但价格昂贵；银粉的导电性能优良，价格较金粉低，但配胶后易沉淀，有“迁移”现象；铜、镍、的性能与银相似，价格比银低的多但易氧化，配胶的耐久性差导电性不稳定。本发明涉及一种石墨烯导电线材及其制备方法，导电填料为石墨烯，石墨烯在导电线材内部形成三维有序导电网络结构，外层由紫外光固化树脂包裹，所发明的石墨烯导电线材具有良好的导电性能和良好的绝缘性，其综合性能与铜/铝漆包线相当，是一种很有发展前途的电磁屏蔽材料；所采取的制备方法简单实用，易实现规模化生产。
发明内容
本发明提出一种石墨烯导电线材及其制备方法。具体发明内容如下：
所述的石墨烯导电线材由紫外光固化树脂单元层堆积固化而成，每个单元层包含多个功能化石墨烯粉末2D填充区和紫外光固化树脂基材区，相邻单元层间功能化石墨烯粉末填充区相互连接在一起，在紫外光固化树脂内部形成三维有序导电网络。按重量计，紫外光固化树脂占90～99份，而功能化石墨烯粉末1～10份。所述的紫外光固化树脂单元层的厚度为0.05～0.38mm，直径为
所述的紫外光固化树脂薄膜基材单元层包含有多个相互独立的功能化石墨烯粉末填充区，相邻单元层间功能化石墨烯粉末2D填充区对应连接在一起，形成三维有序导电网络结构。
所述的功能化石墨烯粉末为石墨烯粉末与偶联剂的混合物。偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷，加入量为石墨烯质量的0.5％～2％。
所述的紫外光固化树脂是环氧丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸树脂、聚酯丙烯酸树脂、聚醚丙烯酸树脂、纯丙烯酸树脂和乙烯基树脂中任意一种。
所述的石墨烯导电线材制备方法，先用点胶机将适量的液态紫外光固化树脂涂敷到金属模具型腔中，并用刮刀刮平，获得液态紫外光固化树脂薄膜基材；然后将功能化石墨烯粉末精确喷射到液态紫外光固化树脂薄膜基材中，在紫外光作用下使之固化；最后在拉丝装置作用下，线材整体向下移动一个薄膜基材厚度，重复上述过程，即可获得内嵌有石墨烯三维有序导电网络的导电线材。包括如下步骤：
(1)功能化石墨烯粉末的制备：将石墨烯粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度100～150r/min，搅拌时间为20～40min，将各物质混合均匀；然后放入超声波清洗器中，60℃～70℃水浴条件下超声5～10h；最后将溶液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末。
(2)单元层制备：用点胶机首先在金属模具型腔中涂敷一层液态紫外光固化树脂，利用刮刀刮平，获得紫外光固化树脂薄膜基材；利用微喷射装置将功能化石墨烯粉末喷射到紫外光固化树脂薄膜基材中，用紫外光照射，使之固化，获得包含有多个相互独立的功能化石墨烯粉末2D填充区和紫外光固化树脂基材区的单元层。
(3)石墨烯线材成型：在拉丝装置作用下，工作台下降一个单元层厚度，用点胶机涂敷一层液态紫外光固化树脂，刮平，再将功能化石墨烯粉末喷射到紫外光固化树脂薄膜基材中，用紫外光照射，使之固化，保证相邻单元层结合在一起，功能化石墨烯粉末2D填充区相互连接在一起，形成三维有序导电网络结构。重复上述过程，即可获石墨烯导电线材。
所述的微喷射打印装置采用气压驱动，借助高压气流携带功能化石墨烯粉末通过拉瓦尔喷嘴，使之以高速喷射到液态紫外光固化树脂薄膜基材中微喷射打印的工艺参数：喷管的出口直径喷射速度为120～800m/s，喷射压力为0.2～0.8MPa，喷射距离为10～40mm。单元层厚度为0.05～0.38mm；直径为
在每一个单元层内部包含有多个相互独立的功能化石墨烯粉末填充区和紫外光固化树脂基材区，多个单元层组装在一起时，相邻单元层间的功能化石墨烯粉末达到电接触而形成三维有序导电网络，这样就保证了在石墨烯导电线材内部具有良好的导电性能，外层由紫外光固化树脂包裹使之具有良好的绝缘性以及较佳的抗拉强度。
采用上述方法所制备的石墨烯导电线材，其内部三维有序网络结构可以为类蜂窝状或类中国结状或类网格状，这些结构可以保证石墨烯在导电线材内部可控形成多个链接通路，保证其综合性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为一种石墨烯导电线材制备流程图。
图2为本发明一种石墨烯导电线材及其制备方法涉及到的工艺装备总体结构示意图。其中1.微喷射装置、2.刮刀、3.金属模具型腔、4.石墨烯导电线材、5.送丝机构、6.卷线器、7.溢流槽、8.紫外光、9.镭射器、10.点胶机。
图3为金属模具型腔和溢流槽，11.金属模具型腔，12.溢流槽。
图4类蜂窝状三维有序导电网络单元层分解组装示意图，13.导电线材横截面单元层，14.一层单元，15.二层单元，16.三层单元。
图5为石墨烯导电线材部分放大20倍示意图1，a为石墨烯导电线材透视图，b为石墨烯导电线材横截面透视图，17.三维有序导电网络，18.紫外光固化树脂。
图6类中国结状三维有序导电网络单元层分解组装示意图，19.导电线材横截面单元层，20.一层单元，21.二层单元，22.三层单元，23.四层单元。
图7为石墨烯导电线材部分放大20倍示意图2，a为石墨烯导电线材透视图，b为石墨烯导电线材横截面透视图，24.三维有序导电网络，25.紫外光固化树脂。
图8类网格状三维有序导电网络单元层分解组装示意图，26.导电线材横截面单元层，27.一层单元，28.二层单元，29.三层单元，30.四层单元。
图9为石墨烯导电线材部分放大20倍示意图3，a为石墨烯导电线材透视图，b为石墨烯导电线材横截面透视图，31.三维有序导电网络，32.紫外光固化树脂。
具体实施方式
以下是发明人给出的三个具体实施例
实施例1：
(1)功能化石墨烯粉末的制备：
按重量计，功能化石墨烯粉末5份，紫外光固化树脂95份。偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷偶联剂，为石墨烯粉末质量的0.5％。将石墨烯粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度100r/min，搅拌时间为25min，将各物质混合均匀；然后放入超声波清洗器中，60℃水浴条件下超声8h；最后将溶液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末。
(2)单元层制备：
用点胶机(10)首先在金属模具型腔(3)中涂敷一层液态紫外光固化树脂，用刮刀(2)刮平，获得紫外光固化树脂薄膜基材。多余的外溢树脂可以通过与金属模具型腔(3)连为一体的溢流槽(7)收集，涉及到的紫外光固化树脂为环氧丙烯酸树脂，其中金属模具型腔和溢流槽如图3所示。
利用微喷射装置(1)将功能化石墨烯粉末精确喷射紫外光固化树脂薄膜基材中，形成多个石墨烯微粉2D填充区；微喷射打印装置(1)采用气压驱动，借助高压气流携带微量功能化石墨烯通过拉瓦尔喷嘴，使之以高速喷射到液态紫外光固化树脂薄膜基材当中。其中石墨烯微粉2D填充区如图4所示。涉及到的微喷射打印的工艺参数：喷管的出口直径喷射速度400m/s，喷射压力为0.5MPa，喷射距离为20mm。
用紫外光照射，使液态紫外光固化树脂薄膜基材产生光聚合反应而固化，获得厚为0.08mm、直径为的石墨烯导电线材单元层。
(3)石墨烯线材成型：
在拉丝装置(5)作用下，工作台下降至一层横截面固化薄层厚度0.08mm，在已固化紫外光固化树脂表面上涂覆一层新的液态紫外光固化树脂，用微喷射装置(1)向其中精确喷射功能化石墨烯粉末，形成多个石墨烯微粉2D填充区，用紫外光照射，使之固化，并保证相邻单元层结合在一起，功能化石墨烯粉末填充区相互连接在一起，形成三维有序导电网络结构。重复上述过程，即可获得内嵌有石墨烯三维有序导电网络的石墨烯导电线材。
图5为一种内部嵌有类蜂窝状三维有序导电网络的石墨烯线材，其标称电阻小于0.015Ω/m，具有优良的导电性能，其击穿电压达到5Kv，具有良好的绝缘性，且最小伸长率达到30％。
实施例2：
(1)功能化石墨烯粉末的制备：
按重量计，功能化石墨烯粉末8份，紫外光固化树脂98份。偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷偶联剂，为石墨烯粉末质量的1.5％。将石墨烯粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度120r/min，搅拌时间为30min，将各物质混合均匀；然后放入超声波清洗器中，65℃水浴条件下超声9h；最后将溶液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末。
(2)单元层制备：
用点胶机(10)首先在金属模具型腔(3)中涂敷一层液态紫外光固化树脂，用刮刀(2)刮平，获得紫外光固化树脂薄膜基材。多余的外溢树脂可以通过与金属模具型腔(3)连为一体的溢流槽(7)收集，涉及到的紫外光固化树脂为聚氨酯丙烯酸树脂，其中金属模具型腔和溢流槽如图3所示。
利用微喷射装置(1)将功能化石墨烯粉末精确喷射紫外光固化树脂薄膜基材中，形成多个石墨烯微粉2D填充区；微喷射打印装置(1)采用气压驱动，借助高压气流携带微量功能化石墨烯通过拉瓦尔喷嘴，使之以高速喷射到液态紫外光固化树脂薄膜基材当中。其中石墨烯微粉2D填充区如图6所示。涉及到的微喷射打印的工艺参数：喷管的出口直径喷射速度600m/s，喷射压力为1.5MPa，喷射距离为20mm。
用紫外光照射，使液态紫外光固化树脂薄膜基材产生光聚合反应而固化，获得厚为0.10mm、直径为的石墨烯导电线材单元层。
(3)石墨烯线材成型：
在拉丝装置(5)作用下，工作台下降至一层横截面固化薄层厚度0.10mm，在已固化紫外光固化树脂表面上涂覆一层新的液态紫外光固化树脂，用微喷射装置(1)向其中精确喷射功能化石墨烯粉末，形成多个石墨烯微粉2D填充区，用紫外光照射，使之固化，并保证相邻单元层结合在一起，功能化石墨烯粉末填充区相互连接在一起，形成三维有序导电网络结构。重复上述过程，即可获得内嵌有石墨烯三维有序导电网络的石墨烯导电线材。
图7为一种内部嵌有类中国结状三维有序导电网络的石墨烯线材，其标称电阻小于0.009Ω/m，具有优良的导电性能，其击穿电压达到5Kv，具有良好的绝缘性，且最小伸长率达到35％。
实施例3：
(1)功能化石墨烯粉末的制备：
按重量计，功能化石墨烯粉末10份，紫外光固化树脂99份。偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷偶联剂，为石墨烯粉末质量的2.5％。将石墨烯粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度100r/min，搅拌时间为30min，将各物质混合均匀；然后放入超声波清洗器中，70℃水浴条件下超声10h；最后将溶液干燥、研磨，制得功能化石墨烯粉末。
(2)单元层制备：
用点胶机(10)首先在金属模具型腔(3)中涂敷一层液态紫外光固化树脂，用刮刀(2)刮平，获得紫外光固化树脂薄膜基材。多余的外溢树脂可以通过与金属模具型腔(3)连为一体的溢流槽(7)收集，涉及到的紫外光固化树脂为聚醚丙烯酸树脂，其中金属模具型腔和溢流槽如图3所示。
利用微喷射装置(1)将功能化石墨烯粉末精确喷射紫外光固化树脂薄膜基材中，形成多个石墨烯微粉2D填充区；微喷射打印装置(1)采用气压驱动，借助高压气流携带微量功能化石墨烯通过拉瓦尔喷嘴，使之以高速喷射到液态紫外光固化树脂薄膜基材当中。其中石墨烯微粉2D填充区如图8所示。涉及到的微喷射打印的工艺参数：喷管的出口直径喷射速度800m/s，喷射压力为1.5MPa，喷射距离为35mm。
用紫外光照射，使液态紫外光固化树脂薄膜基材产生光聚合反应而固化，获得厚为0.20mm、直径为的石墨烯导电线材单元层。
(3)石墨烯线材成型：
在拉丝装置(5)作用下，工作台下降至一层横截面固化薄层厚度0.20mm，在已固化紫外光固化树脂表面上涂覆一层新的液态紫外光固化树脂，用微喷射装置(1)向其中精确喷射功能化石墨烯粉末，形成多个石墨烯微粉2D填充区，用紫外光照射，使之固化，并保证相邻单元层结合在一起，功能化石墨烯粉末填充区相互连接在一起，形成三维有序导电网络结构。重复上述过程，即可获得内嵌有石墨烯三维有序导电网络的石墨烯导电线材。
图9为一种内部嵌有类网格状三维有序导电网络的石墨烯线材，其标称电阻小于0.005Ω/m，具有优良的导电性能，其击穿电压达到5Kv，具有良好的绝缘性，且最小伸长率大于40％。
Claims (8)
1.一种石墨烯导电线材制备方法，所述的石墨烯导电线材由紫外光固化树脂单元层堆积固化而成，每个单元层包含多个功能化石墨烯粉末2D填充区和紫外光固化树脂基材区，相邻单元层间功能化石墨烯粉末2D填充区相互连接在一起，在紫外光固化树脂内部形成三维有序导电网络，按重量计，功能化石墨烯粉末1~10份，紫外光固化树脂90~99份，其特征在于：
（1）功能化石墨烯粉末的制备：先将石墨烯粉末、偶联剂和溶剂混合，放入磁力搅拌器中，搅拌速度100~150r/min，搅拌时间为20~40min，使之混合均匀；再放入超声波清洗器中，60℃~70℃水浴条件下超声5~10h；经过溶液干燥、研磨后，制得功能化石墨烯粉末；
（2）单元层制备：用点胶机首先在金属模具型腔中涂敷一层液态紫外光固化树脂，利用刮刀刮平，获得紫外光固化树脂薄膜基材；利用微喷射装置将功能化石墨烯粉末喷射到紫外光固化树脂薄膜基材中，并用紫外光照射，使之固化，获得包含有多个相互独立的功能化石墨烯粉末2D填充区和紫外光固化树脂基材区的单元层；
（3）石墨烯线材成型：在拉丝装置作用下，工作台下降一个单元层厚度，用点胶机涂敷一层液态紫外光固化树脂，刮平，再将功能化石墨烯粉末喷射到紫外光固化树脂薄膜基材中，用紫外光照射，使之固化，保证相邻单元层结合在一起，功能化石墨烯粉末2D填充区相互连接在一起，形成三维有序导电网络结构，重复上述过程，即可获得石墨烯导电线材。
2.根据权利要求1所述的石墨烯导电线材的制备方法，其特征在于，微喷射打印的工艺参数：喷管的出口直径为Ø2~4mm，喷射速度为120~800m/s，喷射压力为0.2~0.8MPa，喷射距离为10~40mm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯导电线材的制备方法，其特征在于，一个单元层厚度为0.05~0.38mm；直径为Ø1~3mm。
4.根据权利要求1所述的石墨烯导电线材的制备方法，其特征在于，一个单元层厚度为0.08mm；直径为Ø1mm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯导电线材的制备方法，其特征在于，三维有序网络结构可以为类蜂窝状或类中国结状或类网格状。
6.根据权利要求1所述的石墨烯导电线材的制备方法，其特征在于，紫外光固化树脂单元层的厚度为0.05~0.38mm，直径为Ø1~3mm。
7.根据权利要求1所述的石墨烯导电线材的制备方法，其特征在于，所述功能化石墨烯粉末为石墨烯粉末与偶联剂的混合物，所述的偶联剂为γ-氨基三乙氧基硅烷，加入量为石墨烯质量的0.5%~2%。
8.根据权利要求1所述的石墨烯导电线材的制备方法，其特征在于，所述紫外光固化树脂是环氧丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸树脂、聚酯丙烯酸树脂、聚醚丙烯酸树脂、纯丙烯酸树脂和乙烯基树脂中的任意一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |