CN106082199A - 一种石墨烯复合膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯复合膜的制备方法,包括以下步骤:A、将石墨粉末分别放入第一有机溶剂溶液和第二有机溶剂溶液中,进行超声、离心处理,得到上清液;B、使用第一有机溶剂溶液的上清液进行加热成膜,形成氧化石墨烯膜层;C、使用第二有机溶剂溶液的上清液进行加热成膜,形成石墨烯膜层;D、将制得的氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层贴合于粘合层的两侧,进行加压压合,制得石墨烯复合膜。本发明可以解决现有技术的不足,改善了石墨烯复合膜在高温环境下的导电效果,并且提高了石墨烯复合膜本身的耐冲击性。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯材料技术领域,尤其是一种石墨烯复合膜及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种只有单层原子厚度,具有蜂窝结构的二维碳原子晶体的碳质材料。石墨烯具有优异的电学性能(室温电子迁移率可达200000cm2V-1S-1),热力学性能(导热率达5000Wm-1K-1)、机械性能(杨氏模量为1100GPa,断裂强度为125GPa),以及特殊的量子霍尔效应和量子遂穿效应等物理性质,使其有望成为制备下一代微电子器件的新材料,在催化、锂电池、探测器等方面具有良好的应用前景。静电喷雾和基板加热法制备以硅衬底为基板的薄膜所要求的设备较为简单,可以大面积生长,便于加工。因此用石墨烯膜及无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜制成的微电子器件将有着非常广阔的潜在应用价值。
中国发明专利CN 102557728 B公开了一种石墨烯膜及石墨烯复合碳膜的制备方法,制膜温度低、设备价格低以及制备工艺简单,制得的薄膜具有附着性较好及多孔的特性且具有良好电学性能。但是,这种方法制得的石墨烯复合膜在较高温度时的导电效果不佳,并且其冲击韧性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种石墨烯复合膜及其制备方法,能够解决现有技术的不足,改善了石墨烯复合膜在高温环境下的导电效果,并且提高了石墨烯复合膜本身的耐冲击性。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案如下。
一种石墨烯复合膜的制备方法,包括以下步骤:
A、将石墨粉末平均分为两份,将两份石墨粉末分别放入第一有机溶剂溶液和第二有机溶剂溶液中,然后对两个有机溶剂溶液进行超声处理,同时均匀搅拌,然后进行离心处理,得到上清液;
B、将第一有机溶剂溶液的上清液均匀喷涂在基板上,在惰性保护气的环境下进行加热碳化处理,然后在氧化性保护气的环境下进行氧化处理,形成氧化石墨烯膜层;
C、将第二有机溶剂溶液的上清液均匀喷涂在基板上,在惰性保护气的环境下进行加热碳化处理,形成石墨烯膜层;
D、将制得的氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层贴合于粘合层的两侧,进行加压压合,制得石墨烯复合膜。
作为优选,步骤A中,第一有机溶剂溶液包括,
15~20wt%的甲醇、10~20wt%的异丙醇、5~10wt%的乙二胺、5~7wt%的2,4-二甲基-3-戊酮、2~3wt%的2,4,6-甲基丙烯酸三溴苯酯、0.5~1wt%的2-甲基丁酸2-甲基丁酯,余量为水;
第二有机溶剂溶液包括,
10~15wt%的乙醇、20~25wt%的丙酮、5~10wt%的二氯甲烷、3~5wt%的乙酸异丙酯、1~2wt%的邻苯二甲酸二辛酯,余量为水。
作为优选,步骤A中,对第一有机溶剂溶液进行超声处理的超声波频率为20~30MHz,对第二有机溶剂溶液进行超声处理的超声波频率为150~200MHz;对于第一有机溶剂溶液和第二有机溶剂溶液进行离心处理的转速为5000~7000rad/min。
作为优选,步骤B中,形成氧化石墨烯膜层包括以下步骤,
B1、通入惰性保护气,在惰性保护气的环境下将基板加热至250~300℃,保持20~30min;
B2、将基板加热至700~800℃,保持10~15min;
B3、将基板加热至1100~1200℃,保持0.5~1h;
B4、将基板降温至450~500℃,抽真空,去除惰性保护气,然后充入氧化性保护气,保持30~40min,形成氧化石墨烯膜层;
B4、降温至室温。
作为优选,所述氧化性保护气包括,
7~10wt%的氧气、40~50wt%的氮气,余量为氦气;
所述惰性保护气为氦气和/或氩气。
作为优选,步骤C中,形成石墨烯膜层包括以下步骤,
C1、通入惰性保护气,在惰性保护气的环境下将基板加热至270~350℃,保持10~15min;
C2、将基板加热至900~1000℃,保持0.5~1h;
C3、将基板降温至700~750℃,保持20~30min;
C4、将基板加热至1000~1200℃,保持1~2h;
C5、将基板降温至200~250℃,保持10~20min;
C6、降温至室温。
作为优选,所述惰性保护气为氦气和/或氩气。
作为优选,所述粘合层包括,
45~50wt%的环氧树脂、5.5~7wt%的聚氨酯丙烯酸酯、10~15wt%的聚乙烯醇缩丁醛、2~3wt%的3-溴-2-羟基-5-硝基苯甲醛、2~5wt%的4-正丁基间苯二酚、0.5~1wt%的2-氨基-4,5-二甲氧基苯甲酸甲酯,3.5~5wt%的丁二酯、2~3wt%的聚乙烯醇、4~5wt%的聚甲基丙烯酸酯、余量为六溴环十二烷。
作为优选,步骤D中,加压压合包括以下步骤,
D1、加压压力为0.35~0.5Mpa,温度为55~60℃,保持45~60min;
D2、加压压力为2.5~3Mpa,温度为30~40℃,保持20~30min;
D3、加压压力为1~1.2Mpa,温度为20~25℃,保持5~10min;
D4、加压压力为0.5~0.7Mpa,温度为40~45℃,保持5~10min。
一种石墨烯复合膜,使用上述的制备方法制成。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于:本发明通过改进氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层的膜层结构,降低了膜层导电率对于温度的敏感度,大大提高了复合膜层在高温环境下的导电能力。粘合层可以有效提高复合膜层的冲击韧性,并且粘合层与氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层之间可以形成牢固的结合结构,同时可以对氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层表面的缺陷部进行有效的修补。
具体实施方式
以下结合实例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。
实施例1
一种石墨烯复合膜的制备方法,包括以下步骤:
A、将石墨粉末平均分为两份,将两份石墨粉末分别放入第一有机溶剂溶液和第二有机溶剂溶液中,然后对两个有机溶剂溶液进行超声处理,同时均匀搅拌,然后进行离心处理,得到上清液;
B、将第一有机溶剂溶液的上清液均匀喷涂在基板上,在惰性保护气的环境下进行加热碳化处理,然后在氧化性保护气的环境下进行氧化处理,形成氧化石墨烯膜层;
C、将第二有机溶剂溶液的上清液均匀喷涂在基板上,在惰性保护气的环境下进行加热碳化处理,形成石墨烯膜层;
D、将制得的氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层贴合于粘合层的两侧,进行加压压合,制得石墨烯复合膜。
步骤A中,第一有机溶剂溶液包括,
19wt%的甲醇、12wt%的异丙醇、8wt%的乙二胺、5wt%的2,4-二甲基-3-戊酮、3wt%的2,4,6-甲基丙烯酸三溴苯酯、1wt%的2-甲基丁酸2-甲基丁酯,余量为水;
第二有机溶剂溶液包括,
11wt%的乙醇、22wt%的丙酮、8wt%的二氯甲烷、4wt%的乙酸异丙酯、1.2wt%的邻苯二甲酸二辛酯,余量为水。
步骤A中,对第一有机溶剂溶液进行超声处理的超声波频率为25MHz,对第二有机溶剂溶液进行超声处理的超声波频率为190MHz;对于第一有机溶剂溶液和第二有机溶剂溶液进行离心处理的转速为7000rad/min。
步骤B中,形成氧化石墨烯膜层包括以下步骤,
B1、通入惰性保护气,在惰性保护气的环境下将基板加热至290℃,保持25min;
B2、将基板加热至750℃,保持10min;
B3、将基板加热至1150℃,保持1h;
B4、将基板降温至500℃,抽真空,去除惰性保护气,然后充入氧化性保护气,保持30min,形成氧化石墨烯膜层;
B4、降温至室温。
所述氧化性保护气包括,
10wt%的氧气、45wt%的氮气,余量为氦气;
所述惰性保护气为氦气。
步骤C中,形成石墨烯膜层包括以下步骤,
C1、通入惰性保护气,在惰性保护气的环境下将基板加热至310℃,保持10min;
C2、将基板加热至980℃,保持0.65h;
C3、将基板降温至720℃,保持30min;
C4、将基板加热至1185℃,保持1.5h;
C5、将基板降温至220℃,保持15min;
C6、降温至室温。
所述惰性保护气为氩气。
所述粘合层包括,
45wt%的环氧树脂、6wt%的聚氨酯丙烯酸酯、12wt%的聚乙烯醇缩丁醛、2wt%的3-溴-2-羟基-5-硝基苯甲醛、4wt%的4-正丁基间苯二酚、0.65wt%的2-氨基-4,5-二甲氧基苯甲酸甲酯,4.5wt%的丁二酯、2wt%的聚乙烯醇、4.7wt%的聚甲基丙烯酸酯、余量为六溴环十二烷。
步骤D中,加压压合包括以下步骤,
D1、加压压力为0.45Mpa,温度为60℃,保持60min;
D2、加压压力为3Mpa,温度为35℃,保持20min;
D3、加压压力为1Mpa,温度为20℃,保持10min;
D4、加压压力为0.65Mpa,温度为42℃,保持5min。
一种石墨烯复合膜,使用上述的制备方法制成。
本发明中的第一有机溶剂溶液和第二有机溶剂溶液在高温蒸发的过程中形成的溶剂气体在形成膜层的晶体表面产生吸附作用,提高膜层形成过程中晶体之间的结合力。氧化石墨烯膜层采用高温成膜,低温氧化的工艺过程,可以提高石墨烯氧化的均匀性。石墨烯膜层的成膜工艺过程采用两次高温成膜过程,并且配合阶梯式的缓慢降温过程,可以提高膜层的一致性,减少晶体之间的缺陷。在膜层压合的过程中采用加热压合的工艺,可以在压合过程中使粘合层与氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层进行充分的粘结结合,并且可以使粘合层对于氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层粘合表面的缺陷部位进行有效的修补。
使用背景技术的制备方法和本实施例所提供的制备方法制备出石墨烯样本,在25℃的环境中进行表面电阻和冲击韧性的测试,结果如下:
表面电阻(Ohms) | 冲击韧性(J/㎡) | |
背景技术 | 7591 | 2750 |
实施例1 | 3486 | 7935 |
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上改进而来的。在粘合层内加入0.45wt%的一氧化钛、0.5wt%的银粉和0.2wt%的乙二胺四乙酸,一氧化钛和银粉位于粘合层的表面,乙二胺四乙酸可以提高一氧化钛和银粉与粘合层的融合度,减少加入一氧化钛和银粉对于粘合层物理性能的影响。一氧化钛和银粉可以减少粘合层的电容效应,从而提高复合膜层的导电性能。使用与实施例1中相同的实验条件进行测试,结果如下:
实施例3
本实施例是在实施例2的基础上改进而来的。在步骤D进行压合之前,在氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层的压合面上涂刷粘结助剂。粘结助剂包括,20wt%的醋酸乙烯酯、2.5wt%的十二硫醇、8wt%的甘油三醋酸酯、0.85wt%的甲醛、28wt%的乙醇、15wt%的丙酮,余量为水。
粘结助剂可以在压合过程中提高粘合层与相应膜层之间的融合度,从而进一步提高复合膜整体的冲击韧性。使用与实施例2中相同的实验条件进行测试,结果如下:
表面电阻(Ohms) | 冲击韧性(J/㎡) | |
实施例2 | 2705 | 7455 |
实施例3 | 2723 | 8576 |
实施例4
本实施例是在实施例3的基础上改进而来的。
在步骤B4中,当氧化石墨烯膜层的温度降低至70℃时,将氧化石墨烯膜层浸入第一处理液中,直至温度降至室温,然后使用75wt%的乙醇溶液冲洗。第一处理液包括,
15wt%的过氧化氢、2.5wt%的异辛酸、5wt%的焦磷酸钠、45wt%的异丙醇,7wt%的氟磺酸甲酯,余量为水。
第一处理液可以对氧化石墨烯膜层表面进行二次氧化和保护,提高氧化石墨烯膜层后期使用的稳定性。
在步骤C6中,当石墨烯膜层的温度降低至55℃时,将石墨烯膜层浸入第二处理液中,直至温度降至室温,然后使用75wt%的乙醇溶液冲洗。第二处理液包括,
0.35wt%的碘化氢、15wt%的硫酸亚铁、9wt%的乙烯基异丁醚、12wt%的2,5-二甲基-2-己醇、35wt%的乙醇,余量为水。
第二处理液可以对石墨烯表面进行还原处理,保证石墨烯膜层的纯度。
使用与实施例3中相同的实验条件进行测试,结果如下:
表面电阻(Ohms) | 冲击韧性(J/㎡) | |
实施例3 | 2723 | 8576 |
实施例4 | 1685 | 8551 |
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 (10)
1.一种石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
A、将石墨粉末平均分为两份,将两份石墨粉末分别放入第一有机溶剂溶液和第二有机溶剂溶液中,然后对两个有机溶剂溶液进行超声处理,同时均匀搅拌,然后进行离心处理,得到上清液;
B、将第一有机溶剂溶液的上清液均匀喷涂在基板上,在惰性保护气的环境下进行加热碳化处理,然后在氧化性保护气的环境下进行氧化处理,形成氧化石墨烯膜层;
C、将第二有机溶剂溶液的上清液均匀喷涂在基板上,在惰性保护气的环境下进行加热碳化处理,形成石墨烯膜层;
D、将制得的氧化石墨烯膜层和石墨烯膜层贴合于粘合层的两侧,进行加压压合,制得石墨烯复合膜。
2.根据权利要求1所述的石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于:步骤A中,第一有机溶剂溶液包括,
15~20wt%的甲醇、10~20wt%的异丙醇、5~10wt%的乙二胺、5~7wt%的2,4-二甲基-3-戊酮、2~3wt%的2,4,6-甲基丙烯酸三溴苯酯、0.5~1wt%的2-甲基丁酸2-甲基丁酯,余量为水;
第二有机溶剂溶液包括,
10~15wt%的乙醇、20~25wt%的丙酮、5~10wt%的二氯甲烷、3~5wt%的乙酸异丙酯、1~2wt%的邻苯二甲酸二辛酯,余量为水。
3.根据权利要求1所述的石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于:步骤A中,对第一有机溶剂溶液进行超声处理的超声波频率为20~30MHz,对第二有机溶剂溶液进行超声处理的超声波频率为150~200MHz;对于第一有机溶剂溶液和第二有机溶剂溶液进行离心处理的转速为5000~7000rad/min。
4.根据权利要求1所述的石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于:步骤B中,形成氧化石墨烯膜层包括以下步骤,
B1、通入惰性保护气,在惰性保护气的环境下将基板加热至250~300℃,保持20~30min;
B2、将基板加热至700~800℃,保持10~15min;
B3、将基板加热至1100~1200℃,保持0.5~1h;
B4、将基板降温至450~500℃,抽真空,去除惰性保护气,然后充入氧化性保护气,保持30~40min,形成氧化石墨烯膜层;
B4、降温至室温。
5.根据权利要求4所述的石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于:所述氧化性保护气包括,
7~10wt%的氧气、40~50wt%的氮气,余量为氦气;
所述惰性保护气为氦气和/或氩气。
6.根据权利要求1所述的石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于:步骤C中,形成石墨烯膜层包括以下步骤,
C1、通入惰性保护气,在惰性保护气的环境下将基板加热至270~350℃,保持10~15min;
C2、将基板加热至900~1000℃,保持0.5~1h;
C3、将基板降温至700~750℃,保持20~30min;
C4、将基板加热至1000~1200℃,保持1~2h;
C5、将基板降温至200~250℃,保持10~20min;
C6、降温至室温。
7.根据权利要求6所述的石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于:所述惰性保护气为氦气和/或氩气。
8.根据权利要求1所述的石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于:所述粘合层包括,
45~50wt%的环氧树脂、5.5~7wt%的聚氨酯丙烯酸酯、10~15wt%的聚乙烯醇缩丁醛、2~3wt%的3-溴-2-羟基-5-硝基苯甲醛、2~5wt%的4-正丁基间苯二酚、0.5~1wt%的2-氨基-4,5-二甲氧基苯甲酸甲酯,3.5~5wt%的丁二酯、2~3wt%的聚乙烯醇、4~5wt%的聚甲基丙烯酸酯、余量为六溴环十二烷。
9.根据权利要求8所述的石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于:步骤D中,加压压合包括以下步骤,
D1、加压压力为0.35~0.5Mpa,温度为55~60℃,保持45~60min;
D2、加压压力为2.5~3Mpa,温度为30~40℃,保持20~30min;
D3、加压压力为1~1.2Mpa,温度为20~25℃,保持5~10min;
D4、加压压力为0.5~0.7Mpa,温度为40~45℃,保持5~10min。
10.一种石墨烯复合膜,其特征在于:使用上述权利要求1~9任意一项所述的制备方法制成。
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