CN106197839B - 一种可呼吸石墨烯膜在检测真空度稳定性中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可呼吸石墨烯膜在检测真空度稳定性中的应用,所述应用通过检测可呼吸石墨烯膜的电磁屏蔽性能来实现，可呼吸石墨烯膜的电磁屏蔽性能数据越不稳定，真空度的稳定性越低。所述可呼吸石墨烯膜由平面取向的平均尺寸大于100μm的石墨烯片通过ππ共轭作用相互搭接而成。其中包含由1‑4层石墨烯片构成的石墨烯结构。且石墨烯片的缺陷极少，其ID/TG＜0.01。将可呼吸石墨烯膜在真空下快速膨胀，实现大面积发泡，电磁屏蔽性能快速提高，可以用来高效检测系统中真空度的剧烈变化。

Description

一种可呼吸石墨烯膜在检测真空度稳定性中的应用
技术领域
本发明涉及新型导热、吸波以及电磁屏蔽材料的应用，尤其涉及一种可呼吸石墨烯膜在检测真空度稳定性中的应用。
背景技术
2010年，英国曼彻斯特大学的两位教授Andre GeiM和Konstantin Novoselov因为首次成功分离出稳定的石墨烯获得诺贝尔物理学奖，掀起了全世界对石墨烯研究的热潮。石墨烯有优异的电学性能(室温下电子迁移率可达2×105cM2/Vs)，突出的导热性能(5000W/(MK)，超常的比表面积(2630 M2/g)，其杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)。石墨烯优异的导电导热性能完全超过金属，同时石墨烯具有耐高温耐腐蚀的优点，而其良好的机械性能和较低的密度更让其具备了在电热材料领域取代金属的潜力。
宏观组装氧化石墨烯或者石墨烯纳米片的石墨烯膜是纳米级石墨烯的主要应用形式。通过进一步的高温处理，能够修补石墨烯的缺陷，能够有效的提高石墨烯膜的导电性和热导性，可以广泛应用于智能手机、智能随身硬件、平板电脑、笔记本电脑等高散热需求随身电子设备中去。
目前石墨烯膜的应用限制于独立的功能性材料，例如导热膜、导电膜、吸波膜、屏蔽膜。单一的功能明显不能满足未来科技进步复杂的需求。为此，我们利用超大片无碎片石墨烯做基底设计了可呼吸石墨烯膜，一呼一吸之间完成导热导电和吸波屏蔽之间功能的转换。为多功能器件的设计提供的新的思路。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可呼吸石墨烯膜在检测真空度稳定性中的应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种可呼吸石墨烯膜在检测真空度稳定性中的应用,所述应用通过检测可呼吸石墨烯膜的电磁屏蔽性能来实现，可呼吸石墨烯膜的电磁屏蔽性能数据越不稳定，真空度的稳定性越低。所述可呼吸石墨烯膜由平面取向的平均尺寸大于100μm的石墨烯片通过ππ共轭作用相互搭接而成。其中包含由1-4层石墨烯片构成的石墨烯结构。且石墨烯片的缺陷极少，其ID/TG＜0.01。
进一步地，所述可呼吸石墨烯膜的制备方法如下：
(1)将平均尺寸大于100μm的氧化石墨烯配制成浓度为6～30mg/mL氧化石墨烯水溶液，在溶液中加入质量分数0.1-5％的助剂(即助剂在溶液中的质量分数为0.1-5％)，所述助剂为无机盐、有机小分子或高分子；超声分散后，倒在模具板上烘干成氧化石墨烯膜，然后用还原剂进行还原；
(2)将还原后的石墨烯薄膜在惰性气体氛围下先以0.1-0.5℃/min的速率升温到500-700℃，保温0.5-2h；
(3)在惰性气体氛围下以1-3℃/min的速率升温到1000-1200℃，保温 0.5-3h；
(4)在惰性气体氛围下以5-8℃/min的速率升温到2500-3000℃，保温 0.5-4h，自然降温后即可得到多孔的可呼吸石墨烯膜。
进一步地，所述的无机盐选自碳酸氢铵、尿素、硫脲、偶氮二甲酰胺；有机小分子选自甘油、聚乙二醇200、聚乙二醇400；高分子选自纤维素、明胶、壳聚糖、水性聚氨酯、丙烯酸乳液等。
进一步地，所述步骤1中平均尺寸大于100μ m的氧化石墨烯通过以下方法得到：
(1)将Modified-Hummer法获得的氧化石墨片的反应液稀释后，于140目的网筛进行过滤，得到过滤产物；
(2)将步骤1获得的过滤产物于冰水按照体积比1：10混合均匀后，静置 2h，逐滴加入双氧水(H2O2的质量分数为30％)，直到混合液的颜色不再改变(即混合液中的高锰酸钾已完全去除)；
(3)向步骤2处理后的混合液中逐滴加入浓盐酸(浓度为12mol/L)，直到絮状的氧化石墨消失，再用140目的网筛过滤出氧化石墨晶片；
(4)将步骤3获得的氧化石墨晶片置于摇床中，20～80转/min，震荡洗涤，使得氧化石墨晶片剥离，得到无碎片超大片的氧化石墨烯，平均尺寸大于100 μ m，分布系数在0.2-0.5之间。
进一步地，所述步骤1中的Modified-Hummer法具体为：在-10℃下，将高锰酸钾充分溶解于质量分数为98％的浓硫酸中，加入石墨，60转/分钟搅拌2h 后停止搅拌，在低温(-10-20℃)下反应6-48h，得到宽分布的氧化石墨片反应液；所述的石墨、高锰酸钾与浓硫酸质量体积比为：1g：2-4g：30-40ml，石墨的粒度大于150μm。
进一步地，所述网筛为钛合金等耐酸网筛。
进一步地，所述步骤1中，氧化石墨片的反应液通过浓硫酸等稀释剂进行稀释，稀释剂的体积为反应液体积的1-10倍。
本发明的有益效果在于：本发明阐述了一种可在导热性能和电磁屏蔽性能之间转换的多功能石墨烯膜的新应用，并该石墨烯膜由平面取向的平均尺寸大于 100μm的石墨烯片通过ππ共轭作用相互搭接而成。大共轭结构保证了石墨烯之间的通路的畅通，且1-4层石墨烯片构成的石墨烯结构的引入，极大的提升了材料的导电性能；在未搭接处，石墨烯片与片之间形成空腔；将石墨烯膜与置于真空环境下，腔内气体快速膨胀，在气体膨胀作用下，腔壁的褶皱被气体撑开，逐渐变得光滑；大空腔、光滑腔壁辅助以较好的导电性能，使其膜具有极强的电磁屏蔽性能。真空度越高，电磁屏蔽性能越好。当需要重复利用时，采用高压条件将微气囊进行压缩即可。
附图说明
图1为过滤前的氧化石墨晶体(左)，过滤后的氧化石墨晶体(右)。
图2为过滤前的氧化石墨烯(左)，过滤后的氧化石墨烯(右)。
图3为50度下反应得到的氧化石墨烯。
图4为50度下反应得到的氧化石墨烯尺寸分布(左)，20度下反应得到的氧化石墨烯尺寸分布(右)。
图5为可呼吸石墨烯膜呼和吸状态下截面图。
图6为电压负载下的电磁屏蔽曲线图。
具体实施方式
本发明通过使用超大片氧化石墨烯成膜，其中平面取向的平均尺寸大于 100μm的石墨烯片在构成本发明石墨烯膜的过程中有着重要作用，本发明在氧化石墨晶体水洗之前，采用网筛分离的办法，将碎片分离出。并采用10倍以上体积的冰水进行稀释，使得其晶片不会因硫酸的溶解热而得到破坏。进一步采用摇床震荡洗涤，使得氧化石墨烯片层在剥离的时候避免了机械力的破碎。进一步地，本发明还通过低温条件制备石墨烯片，在低温下，高锰酸钾氧化性比较弱，其自分解产生氧气的速率比较慢，因此气体对氧化石墨晶体的破碎作用就很弱，使得大片层的氧化石墨烯得以保存。而且反应过程以及清洗过程中没有剧烈的搅拌和超声过程，因此片层基本上没有破碎。综合以上几点，我们得到了超大片的无碎片的氧化石墨烯，，平均尺寸大于87um，分布系数在0.2-0.5 之间，碎片含量低于1％。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容做出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围。
实施例1：无碎片超大片的氧化石墨烯的制备
实施例1-1
(1)在-10℃下将高锰酸钾缓慢加入到快速搅动的浓硫酸中，待充分溶解后，加入石墨，60转/分钟缓慢搅拌2h后停止搅拌，在20℃、50℃下分别反应 6h，分别得到宽分布的氧化石墨晶体；如图1所示，两种温度下得到的氧化石墨晶片中均存在较多的碎片，这使得其对应的氧化石墨烯同样有很多的碎片(图 2)。
(2)将步骤1得到的反应液用浓硫酸稀释(稀释倍数可以为任意倍数，本实施例稀释了10倍左右)，并用150um孔径(140目)的钛合金网筛将氧化石墨晶体过滤出来(反应液回收)，并缓慢倒入快速搅拌的相对于过滤产物10倍体积的冰水中，静置2h，缓慢加入H2O2，以除去反应中多余的高锰酸钾，加入适量的盐酸直到絮状氧化石墨消失，再用钛合金网筛(140目)过滤出氧化石墨晶片；摇床缓慢震荡洗涤，得到无碎片超大片的氧化石墨烯(平均尺寸为87μ m，分布系数为0.5)。石墨、高锰酸钾与浓硫酸质量体积比为：1g：2g：40ml，石墨的粒度为200μ m。
如图3所示，高温50度下反应后分离出的氧化石墨晶片分离后洗涤得到的氧化石墨烯同样有很多的碎片；从图4可以看出，低温下(20℃)反应分离后的大片氧化石墨烯尺寸分布更加均匀集中，碎片含量极少。
实施例1-2
在-10℃下将高锰酸钾缓慢加入到快速搅动的浓硫酸中，待充分溶解后，加入石墨，60转/分钟缓慢搅拌2h后停止搅拌，在低温(0℃、)下反应48h，得到反应液；将反应液分别用质量分数98％以上的浓硫酸、质量分数为10％的稀硫酸进行稀释，然后用150um孔径的钛合金网筛将氧化石墨晶体过滤出来(反应液回收)，并缓慢倒入快速搅拌的相对于过滤产物10倍体积的冰水中，静置2h，缓慢加入H2O2，以除去反应中多余的高锰酸钾，加入适量的盐酸直到絮状氧化石墨消失，再用钛合金网筛过滤出氧化石墨晶片；摇床缓慢震荡洗涤，得到反应产物。石墨、高锰酸钾与浓硫酸质量体积比为：1：4g：30ml；石墨的粒度为 500μ m。
采用浓硫酸稀释，反应得到的无碎片超大片的氧化石墨烯(平均尺寸为98 μ m，分布系数在0.4)，而用稀硫酸稀释，得到的产物中含有大量碎片，尺寸分布系数超过100％。这是由于稀硫酸稀释过程中，大量放热，破坏了氧化石墨晶体。
实施例1-3
在-10℃下将高锰酸钾缓慢加入到快速搅动的浓硫酸中，待充分溶解后，加入石墨，60转/分钟缓慢搅拌2h后停止搅拌，在低温(20℃)下反应28h，得到宽分布的氧化石墨晶体；将反应液用浓硫酸稀释并用150μ m孔径的钛合金网筛将氧化石墨晶体过滤出来(反应液回收)，并分别缓慢倒入快速搅拌的相对于过滤产物5倍体积、8倍体积、10倍体积的冰水中，静置2h，缓慢加入H2O2，以除去反应中多余的高锰酸钾，加入适量的盐酸直到絮状氧化石墨消失，再用钛合金网筛过滤出氧化石墨晶片；摇床缓慢震荡洗涤，得到反应产物；石墨、高锰酸钾与浓硫酸质量体积比为：1：5g：34ml，石墨的粒度为2mm。
实验结果显示，5倍体积和8倍体积的冰水均不能的得到尺寸均一的石墨烯片，在10倍体积下才能得到无碎片超大片的氧化石墨烯(平均尺寸为92μ m，分布系数在0.2)。由此可知，冰水的量过低，将使得混合热集中释放，破坏晶体结构。
实施例2：采用实施例1制备得到的无碎片超大片的氧化石墨烯制备可呼吸的石墨烯膜。
将平均尺寸大于100μ m的氧化石墨烯配制成浓度为28mg/mL氧化石墨烯水溶液，在溶液中加入质量分数5.4％尿素，经过超声分散后倒在模具板上烘干成氧化石墨烯膜，然后用碘化氢还原剂进行还原；还原后的石墨烯薄膜在惰性气体氛围下按照表1～表3所示的热处理方式进行三步热处理；自然降温后即可得到厚度为1mm的多孔石墨烯薄膜。将石墨烯薄膜在高压下压制即可得超柔性高导热石墨烯膜。所述的压制过程压力为200MP，时间为300h。
将上述所得的石墨烯膜在50MP的高压下压制2h；测得其热导率；将压制后的石墨烯膜在外接真空下60m3/min快速抽真空到1bar，测得其电磁屏蔽性能，以获得制备高导热率和高灵敏度的石墨烯膜的参数；如表1-3所示。图 5为可呼吸石墨烯膜呼吸过程电镜照片，在外力作用下的呼的过程中，石墨烯膜被压平，呼吸气孔通过褶皱的形式保留下来；在在真空条件下，褶皱被气体撑开，逐渐变得光滑。
表1：第一步的热处理方式
表2：第二步的热处理方式
表3：第三步的热处理方式
从表1～表3可以看出，本材料的性能主要有三方面决定，其一材料内部氧化石墨烯片结构修复情况，即官能团的脱落以及高温下碳共轭结构的修复。其二，材料内部三维取向结构的连续性，即内部片层结构的连接性。其三，微气囊的形成才能保证材料的柔性以及石墨烯片层结构的存在。三者共同作用以增加石墨烯膜的性能。
从表1可以看出，比较A1、B1、C1、D1、E1，A1的温度过低，不足以除去大部分易降解的官能团，导致第二步高温过程中气体大量快速产生，在高温下撕裂片层结构；E1温度过高，产生气体过快，会大量撕裂材料内部结构，两者都会使得材料性能变差。唯有在B1、C1、D1温度下，官能团会缓慢并彻底清除，以保障材料性能。比较C1、F1、G1、H1，F1升温速率过低，气体释放过于缓慢，不能使得材料内部形成通孔，在接下来的升温过程中不利于微气囊的形成；H1升温过程过快，气体释放过快，撕裂材料内部结构，不利于形成传输通道。唯有CG升温速率下才可以既保证微气囊的形成，又能保证通道的完整。比较C1、I1、J1、K1、L1、M1，I1保温时间过短，不能保证大部分官能团的降解；M1保温过程过长，会吸收炉子里面的焦油，不利于性能的提升。C1、J1、 K1、L1正好避免了以上两者。
从表2中可以看出，比较A2、B2、C2、D2、E2，A2升温速率过低不足以形成微小的空隙结构，使得膜不能形成微气囊，严重影响电磁屏蔽性能。E2升温速度过高，会撕裂石墨烯层间结构，使得石墨烯膜链接性变差，导热电磁屏蔽性能都变差。唯有B2、C2、D2的升温速度下，才会有才能既保证微气囊结构又保证石墨烯膜内部的连续性。比较C2、I2、J2、K2、L2、M2，I2保温时间过短，稳定的官能团不能充分脱落；M2时间过长，石墨烯膜容易吸附焦油，不利于膜性能的提升；而C2、J2、K2、M2条件下既可以保证稳定官能团的充分脱落，又能避免焦油的困扰。
从表3中可以看出，比较A3、B3、C3、D3、E，A3升温速率过低，最稳定官能团脱落的过慢，形成微气囊的过程中不足以支撑微气囊的形成；E3升温过程过快，气体释放以及高温膨胀过快，容易破坏微气囊的形成。只有B3、C3、 D3的情况下，微气囊才能稳定的形成，石墨烯上的结构才能缓慢的修复。比较 C3、F3、G3、H3、I3，F3终点温度过低，石墨烯结构修复不够完善，所以各种性能都很差；I3终点温度过高，石墨烯会被汽化掉；C3、G3、H3的温度下才能既保证石墨烯结构的修复，又不会被汽化掉。比较C3、J3、K3、L3、M3，J3 保温时间过低，石墨烯结构不能充分修复，M3保温时间过长，也会使得吸附炉体里的焦油，影响膜的性能。
实施例3：将石墨烯膜用于检测真空度。
首先，制备可呼吸石墨烯膜如下
(1)将平均尺寸大于100μm的氧化石墨烯配制成浓度为6mg/mL氧化石墨烯水溶液，在溶液中加入质量分数5％的甘油；超声分散后，倒在模具板上烘干成氧化石墨烯膜，然后用还原剂进行还原；
(2)将还原后的石墨烯薄膜在惰性气体氛围下先以0.5℃/min的速率升温到700℃，保温1h；
(3)在惰性气体氛围下以2℃/min的速率升温到1200℃，保温1h；
(4)在惰性气体氛围下以7℃/min的速率升温到2500℃，保温1h，自然降温后即可得到多孔的可呼吸石墨烯膜。
然后，将制备得到的石墨烯膜分别置于密闭容器I～VI中，对密闭容器抽真空，密闭容器I～VI中的真空度如下表所示。
I II III IV V VI
10<sup>-5</sup>bar 10<sup>-4</sup>bar 10<sup>-3</sup>bar 10<sup>-2</sup>bar 10<sup>-1</sup>bar 1bar
光照10min，测得的电磁屏蔽数据如图6所示。
从图6可知，石墨烯膜具有超高的灵敏度，基本上在0.5分钟内完成测试。此外，不同真空度下的石墨烯膜电磁屏蔽性能大小区分明显，说明可鉴别不同真空环境，真空度越大，电磁屏蔽性能越大。因此，可对真空度的温度性进行高效评价。

Claims (7)

1.一种可呼吸石墨烯膜在检测真空度稳定性中的应用,其特征在于, 所述应用通过检测可呼吸石墨烯膜的电磁屏蔽性能来实现，所述可呼吸石墨烯膜由平面取向的平均尺寸大于100μm的石墨烯片通过ππ共轭作用相互搭接而成；其中包含由1-4层石墨烯片构成的石墨烯结构；且石墨烯片的缺陷极少，其ID/IG＜0.01；在未搭接处，石墨烯片与片之间形成空腔；将石墨烯膜与置于真空环境下，腔内气体快速膨胀，在气体膨胀作用下，腔壁的褶皱被气体撑开，逐渐变得光滑；大空腔、光滑腔壁辅助以较好的导电性能，使其膜具有极强的电磁屏蔽性能，因此可呼吸石墨烯膜的电磁屏蔽性能数据越不稳定，真空度的稳定性越低。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述可呼吸石墨烯膜的制备方法如下：
（1）将平均尺寸大于100μm的氧化石墨烯配制成浓度为6~30mg/mL氧化石墨烯水溶液，在溶液中加入质量分数0.1-5%的助剂，所述助剂为无机盐、有机小分子或高分子；超声分散后，倒在模具板上烘干成氧化石墨烯膜，然后用还原剂进行还原；
（2）将还原后的石墨烯薄膜在惰性气体氛围下先以0.1-0.5oC/min的速率升温到500-700oC，保温0.5-2h；
（3）在惰性气体氛围下以1-3oC/min的速率升温到1000-1200oC，保温0.5-3h；
（4）在惰性气体氛围下以5-8oC/min的速率升温到2500-3000oC，保温0.5-4h，自然降温后即可得到多孔的可呼吸石墨烯膜。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的无机盐选自碳酸氢铵；有机小分子选自甘油、尿素、硫脲、偶氮二甲酰胺；高分子选自纤维素、明胶、壳聚糖、水性聚氨酯、丙烯酸乳液、聚乙二醇200、聚乙二醇400。
4.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,所述步骤1中平均尺寸大于100 μ m的氧化石墨烯通过以下方法得到：
（1）将Modified-Hummer法获得的氧化石墨片的反应液稀释后，于140目的网筛进行过滤，得到过滤产物；
（2）将步骤1获得的过滤产物于冰水按照体积比1：10混合均匀后，静置2h，逐滴加入质量分数为30%的双氧水，直到混合液的颜色不再改变；
（3）向步骤2处理后的混合液中逐滴加入浓度为12mol/L的浓盐酸，直到絮状的氧化石墨消失，再用140目的网筛过滤出氧化石墨晶片；
（4）将步骤3获得的氧化石墨晶片置于摇床中，20~80转/min，震荡洗涤，使得氧化石墨晶片剥离，得到无碎片超大片的氧化石墨烯，平均尺寸大于100 um，分布系数在0.2-0.5之间。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤1中的Modified-Hummer法具体为：在-10oC下，将高锰酸钾充分溶解于质量分数为98%的浓硫酸中，加入石墨，60转/分钟搅拌2h后停止搅拌，在-10-20oC下反应6-48h，得到宽分布的氧化石墨片反应液；所述的石墨、高锰酸钾与浓硫酸质量体积比为：1 g：2-4g：30-40ml，石墨的粒度大于150μm。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述网筛为钛合金耐酸网筛。
7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤1中，氧化石墨片的反应液通过浓硫酸稀释剂进行稀释，稀释剂的体积为反应液体积的1-10倍。
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