CN105417535B - 一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，所述方法通过将石墨粉分散于粘结剂中，然后涂覆在柔性可伸缩的弹性薄膜表面，待粘接剂固化之后，通过拉伸柔性可伸缩的弹性薄膜，给石墨层间提供相应的剪切力，打断石墨层间范德华键，获得石墨烯。该方法操作过程中不引入污染物、工艺简单、成本低廉、适合大规模生产普及。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，特别涉及一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法。
背景技术
石墨烯是近年发现的二维碳原子晶体，是目前碳质材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。石墨烯是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元。尽管石墨烯只有一个碳原子厚度，也是己知材料中最薄的一种，然而石墨烯却非常牢固坚硬。此外，碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都能贡献出一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成π轨道，π电子则可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。这些优异的特性使石墨烯拥有十分广阔的发展前景。
为了让优秀的石墨烯材料实现工业化生产和应用，就必须开发出一种可大规模生产的制备方法。目前石墨烯的制备方法有机械剥离法、外延生长法、氧化还原法、超声剥离法、有机合成法、溶剂热法、化学气相沉积法等。在这些方法中，由于机械剥离法能够最佳地保存石墨烯的性质，并且制备方法简单，制备过程环保无污染，在实际的生产中备受青睐。
由石墨剥离获得石墨烯的过程，从原子尺度的角度理解，即为一种打断石墨层间范德华键的过程。打断石墨层间范德华键可以采用拉伸法和剪切法。早期机械剥离法是使用透明胶带对热解石墨表面进行反复粘取，相当于将范德华键拉断，对石墨层层剥离直至获得单层石墨烯，Novoselov等利用此方法在实验上第一次成功制备得到石墨烯，该方法所制备的石墨烯保留了理想石墨烯的性质，而剪切法又如轻微摩擦法，采用石墨在粗糙表面摩擦获得石墨烯。虽然这两种方法获得的石墨烯具有理想石墨烯的性质且方法简单，但是这两种方法生产效率较低，在基础科研阶段应用较为广泛。
中国专利公开号103935999A首次公开了一种石墨烯的制备方法。该方法以极性溶剂为分散介质，在石墨烯量子点辅助下通过机械剥离方法制备高质量石墨烯，主要利用石墨烯量子点在极性溶剂中良好的分散性，及其与石墨烯/石墨烯片层之间较强的非共价键结合，促进天然石墨的剥离和石墨烯纳米片在极性溶剂中的分散，从而获得高质量的石墨烯。与该方法相类似的中国专利公开号104030283A公开了一种基于石墨烯量子点剥离得到二维材料的方法，也采用石墨烯量子点作为剥离剂，利用了石墨烯量子点是具有π-π离域结构的“片层”零维碳材料，其π-π结构可与石墨相互作用，从而剥离得到石墨烯。但是，这两种方法中均采用了溶剂法剥离石墨烯，导致石墨烯的污染。
此外，中国专利公开号103922330A公开了一种干法制备石墨烯粉体的方法，即将石墨先进行微波热处理，形成预膨胀石墨；预膨胀石墨置于耐高压剥离反应器内，并加入膨胀剂进行高压高速剥离，得到石墨烯。其中，膨胀剂为干冰、液氮、液氧、超临界 CO2。该方法避免了液相溶剂的使用，降低了产物石墨烯的杂质。但是，这种方法在高速剥离的瞬间，石墨烯自身由于π-π结构的相互作用，容易自发卷曲。而且在高速剥离的过程中，非常有可能造成剥离不均匀，出现一半被剥离，一半未剥离的情况，剥离效率低。
综上所述，现在已有的机械剥离法制备石墨烯的技术中，无添加、成本低且批量化生产高性能石墨烯的方法仍然没有被开发出来。
发明内容
为了解决上述方法的不足和缺陷，本发明开发出一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，所述方法通过将石墨粉分散于粘结剂中，然后涂覆在柔性可伸缩的弹性薄膜表面，待粘接剂固化之后，通过拉伸柔性可伸缩的弹性薄膜，给石墨层间提供相应的剪切力，打断石墨层间范德华键，获得石墨烯。该方法操作过程中不引入污染物、工艺简单、成本低廉、适合大规模生产普及。
本发明提供一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a. 将石墨粉与粘结剂按质量比1:2~5混合，加入搅拌机，搅拌混合，以使石墨粉充分分散形成均质混合物，所述石墨粉的尺寸为1~100μm；
b. 在步骤a获得的均质混合物中加入交联剂，交联剂的质量为所述粘结剂的10~50%，搅拌均匀，通过涂覆方法，将该混合物施加到柔性可伸缩的弹性薄膜表面，等待粘接剂固化；
c. 通过拉伸柔性可伸缩的弹性薄膜使石墨粉内部承受剪切力，石墨粉被剥离拉开形成石墨烯。
可选的，根据权利要求1所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述粘结剂为丙烯酸树脂、硅氧烷低聚物和环氧酚醛乙烯基酯树脂中的一种或几种。
可选的，根据权利要求1所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述均质混合物为固体石蜡的苯乙烯溶液来调节均质混合物的粘度在500~5000CPS，其中，所述固体石蜡的苯乙烯溶液中固体石蜡的重量百分比为0.1~2%。
可选的，根据权利要求1所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述交联剂为异氰酸酯、环氧、过氧化氢、异丙苯、醛淀粉、醛、聚醛树脂中的一种或几种。
可选的，根据权利要求1所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述搅拌机的搅拌速度为500~1500r/min。
可选的，根据权利要求1所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述涂覆方法为通过滚筒、刷子或刮刀涂覆混合物。
可选的，根据权利要求1所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述柔性可伸缩的弹性薄膜为热熔胶膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、聚乙烯薄膜和聚砜薄膜中的一种，其中柔性可伸缩的弹性薄膜的最大弹性形变量为60~80%。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
1、该种方法采用石墨粉为原料，将其分散于粘结剂中，然后涂覆在柔性可伸缩的弹性薄膜表面。等待固化之后，通过简单的拉伸柔性可伸缩的弹性薄膜，给石墨层间提供相应的剪切力，打断石墨层间范德华键，不引入污染物，获得石墨烯，为机械剪切石墨烯规模化生产提供方法。
2、该种方法采用的设备为常规涂胶设备和塑料薄膜拉伸设备，成本低廉，适合大规模生产普及。
3、该种方法操作简单，便于操作工人学习。
具体实施方式
通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例一
本申请实施例中的石墨可以为鳞片石墨、膨胀石墨或可膨胀石墨中的至少一种，在本申请中以鳞片石墨为例进行说明。本实施例中制备方法如下：
取尺寸为5μm鳞片石墨粉100g与500g丙烯酸树脂混合，加入搅拌机，设置搅拌机搅拌速度为500r/min，混合均匀，使石墨粉充分分散形成均质混合物。向均质混合物中加入的固体石蜡的苯乙烯溶液，来调节均质混合物的粘度，使均质混合物的粘度为500 CPS，固体石蜡的苯乙烯溶液中固体石蜡的重量百分比为0.1%。接着，将获得的均质混合物中加入50g异氰酸酯，搅拌均匀，通过滚筒涂覆，将该混合物施加到柔性可伸缩的热熔胶膜表面，其最大弹性形变量为60%，等待粘接剂固化之后，通过在热熔胶膜两端施加拉力，快速拉伸热熔胶膜使石墨粉内部承受剪切力，石墨粉被机械剥离拉开形成石墨烯。
经过测试，实施例一中，制备得到的石墨烯的尺寸为1.09μm （选区尺寸），厚度为0.63 nm，产率为0.5%。
实施例二
本申请实施例中的鳞片石墨可以为鳞片石墨、膨胀石墨或可膨胀石墨中的至少一种，在本申请中以鳞片石墨为例进行说明。本实施例中制备方法如下：
取尺寸为50μm石墨粉100g与500g丙烯酸树脂混合，加入搅拌机，设置搅拌机搅拌速度为500r/min，混合均匀，使石墨粉充分分散形成均质混合物。向均质混合物中加入的固体石蜡的苯乙烯溶液，来调节均质混合物的粘度，使均质混合物的粘度为500 CPS，固体石蜡的苯乙烯溶液中固体石蜡的重量百分比为0.1%。接着，将获得的均质混合物中加入50g异氰酸酯，搅拌均匀，通过滚筒涂覆，将该混合物施加到柔性可伸缩的热熔胶膜表面，其最大弹性形变量为60%，等待粘接剂固化之后，通过在热熔胶膜两端施加拉力，快速拉伸热熔胶膜使石墨粉内部承受剪切力，石墨粉被机械剥离拉开形成石墨烯。
经过测试，实施例二中，制备得到的石墨烯的尺寸为2.09μm （选区尺寸），厚度为0.83 nm，产率为0.48%。
实施例三
本申请实施例中的石墨可以为鳞片石墨、膨胀石墨或可膨胀石墨中的至少一种，在本申请中以膨胀石墨为例进行说明。本实施例中制备方法如下：
取尺寸为50μm膨胀石墨粉150g与500g硅氧烷低聚物混合，加入搅拌机，设置搅拌机搅拌速度为1000r/min，混合均匀，使石墨粉充分分散形成均质混合物。向均质混合物中加入的固体石蜡的苯乙烯溶液，来调节均质混合物的粘度，使均质混合物的粘度为500CPS，固体石蜡的苯乙烯溶液中固体石蜡的重量百分比为1%。接着，将获得的均质混合物中加入70g聚醛树脂，搅拌均匀，通过滚筒涂覆，将该混合物施加到柔性可伸缩的热熔胶膜表面，其最大弹性形变量为70%，等待粘接剂固化之后，通过在热熔胶膜两端施加拉力，快速拉伸热熔胶膜使石墨粉内部承受剪切力，石墨粉被机械剥离拉开形成石墨烯。
经过测试，实施例三中，制备得到的石墨烯的尺寸为1.59μm （选区尺寸），厚度为0.93 nm，产率为0.45%。
实施例四
本申请实施例中的石墨可以为鳞片石墨、膨胀石墨或可膨胀石墨中的至少一种，在本申请中以膨胀石墨为例进行说明。本实施例中制备方法如下：
取尺寸为50μm膨胀石墨粉150g与500g丙烯酸树脂混合，加入搅拌机，设置搅拌机搅拌速度为1000r/min，混合均匀，使石墨粉充分分散形成均质混合物。向均质混合物中加入的固体石蜡的苯乙烯溶液，来调节均质混合物的粘度，使均质混合物的粘度为2500 CPS，固体石蜡的苯乙烯溶液中固体石蜡的重量百分比为1.5%。接着，将获得的均质混合物中加入70g聚醛树脂，搅拌均匀，通过滚筒涂覆，将该混合物施加到柔性可伸缩的聚乙烯薄膜表面，其最大弹性形变量为80%，等待粘接剂固化之后，通过在热熔胶膜两端施加拉力，快速拉伸热熔胶膜使石墨粉内部承受剪切力，石墨粉被机械剥离拉开形成石墨烯。
经过测试，实施例四中，制备得到的石墨烯的尺寸为1.89μm （选区尺寸），厚度为0.63 nm，产率为0.65%。
实施例五
本申请实施例中的石墨可以为鳞片石墨、膨胀石墨或可膨胀石墨中的至少一种，在本申请中以膨胀石墨为例进行说明。本实施例中制备方法如下：
取尺寸为50μm膨胀石墨粉150g与500g丙烯酸树脂混合，加入搅拌机，设置搅拌机搅拌速度为1500r/min，混合均匀，使石墨粉充分分散形成均质混合物。向均质混合物中加入的固体石蜡的苯乙烯溶液，来调节均质混合物的粘度，使均质混合物的粘度为4000 CPS，固体石蜡的苯乙烯溶液中固体石蜡的重量百分比为2%。接着，将获得的均质混合物中加入80g醛淀粉，搅拌均匀，通过滚筒涂覆，将该混合物施加到柔性可伸缩的聚乙烯薄膜表面，其最大弹性形变量为80%，等待粘接剂固化之后，通过在热熔胶膜两端施加拉力，快速拉伸热熔胶膜使石墨粉内部承受剪切力，石墨粉被机械剥离拉开形成石墨烯。
经过测试，实施例五中，制备得到的石墨烯的尺寸为1.35μm （选区尺寸），厚度为0.83 nm，产率为0.73%。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a. 将石墨粉与粘结剂按质量比1:2~5 混合，加入搅拌机，搅拌混合，以使石墨粉充分分散形成均质混合物，所述石墨粉的尺寸为1~100μm ；
b. 在步骤a 获得的均质混合物中加入交联剂，交联剂的质量为所述粘结剂的10~50%，搅拌均匀，通过涂覆方法，将该混合物施加到柔性可伸缩的弹性薄膜表面，等待粘接剂固化；
c. 通过拉伸柔性可伸缩的弹性薄膜使石墨粉内部承受剪切力，石墨粉被剥离拉开形成石墨烯；
所述粘结剂为丙烯酸树脂、硅氧烷低聚物和环氧酚醛乙烯基酯树脂中的一种或几种；所述均质混合物为固体石蜡的苯乙烯溶液来调节均质混合物的粘度在500~5000CPS，其中，所述固体石蜡的苯乙烯溶液中固体石蜡的重量百分比为0.1~2%。
2.根据权利要求1 所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述交联剂为异氰酸酯、环氧、过氧化氢、异丙苯、醛淀粉、醛、聚醛树脂中的一种或几种。
3.根据权利要求1 所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述搅拌机的搅拌速度为500~1500r/min。
4.根据权利要求1 所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述涂覆方法为通过滚筒、刷子或刮刀涂覆混合物。
5.根据权利要求1 所述的一种通过拉伸制备石墨烯材料的方法，其特征在于，所述柔性可伸缩的弹性薄膜为热熔胶膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、聚乙烯薄膜和聚砜薄膜中的一种，其中柔性可伸缩的弹性薄膜的最大弹性形变量为60~80%。
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