CN107337200B - 一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法，制备可控性的氧化石墨烯前驱体溶液，后利用高温空气环形成型装置直接将前驱体溶液中的石墨烯片层沉积在径向玻璃容器壁内表面并利用此高温过程对石墨烯的共轭结构进行一定程度的修复，最终制备的石墨烯复合薄膜具有有很好的韧性，厚度最小能达到10±2μm，导热系数为800‑1000W/m·K，导电系数为103‑105S/cm，弯曲次数均达到104(R5/180°)次以上。该工艺方法能耗低，高效且路线简单，同时可以通过工艺参数的调整对最终薄膜的性能进行控制。

Description

一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯功能材料领域，具体涉及一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种具有众多优良特性的二维晶体材料，特别是其优异的导电导热性能以及在化学上的可控功能化特性，使得该材料在众多工业领域得到了广泛的应用。不同于以往的其他碳纳米材料，例如一维的碳纳米管，零维的碳黑，石墨烯的二维平面结构被认为从维度上更适合于涂料和薄膜应用领域。
传统的石墨烯薄膜制备方法有化学气相沉积法(CVD)等，这类方法虽然可以制备出高质量的本征石墨烯薄膜，但由于制备设备昂贵且原料成本高以及难以连续生产等制约因素还没有得到大规模的应用。涂覆法虽然弥补了CVD法的一些缺点但也造成了薄膜结构一致性难以控制，增加后续干燥工序等其它问题。
近两年随着石墨烯产业的高速发展，石墨烯通过静电喷涂制作薄膜的方法逐渐被人们重视起来，但该方法普遍耗时较长，并且连续化生产困难，同时对前驱液的导电性能要求严格。ZL201610133829.8中提将氧化石墨烯悬浮液通过喷涂的方法喷涂在各种不同基材上。然后经过热滚压将氧化石墨烯薄膜还原制成石墨烯摸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过高温空气环形成型法制备韧性多功能石墨烯薄膜的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)氧化石墨烯的制备
采用化学氧化法制备氧化石墨烯；
2)氧化石墨烯前驱液的制备
将步骤1)中制备的氧化石墨烯配制成浓度为1-5mg·ml-1的水溶液；
3)石墨烯薄膜的制备
采用高温环形空气成型设备，将步骤2)中的氧化石墨烯前驱液经高温环形空气流成型在薄膜收集装置上，形成石墨烯薄膜，环形气流发生器处的高温会使氧化石墨烯还原成为石墨烯。
具体地，所述高温环形空气流上升方向与氧化石墨烯前驱液重力方向平行，且高温环形气流半径为15cm，薄膜收集装置成型距离为55cm。
具体地，所述高温环形空气流出口温度为230-600℃。
具体地，石墨烯薄膜厚度最小能达到10±2μm，导热系数为800-1000W/m·K，导电系数为103-105S/cm，弯曲次数均达到104(R5/180°)次以上。
具体地，所述步骤3)中的高温环形空气成型设备包括风机、加热器、压缩机、蠕动泵、环形空气发生头、运输机、薄膜收集装置，所述风机通过管道与环形空气发生头连接，风机与环形空气发生头之间的管道上设有加热器，环形空气发生头通过管道分别与压缩机和蠕动泵连接，环形空气发生头下方设有薄膜收集装置，薄膜收集装置设置于运输机上。
上述制备的前驱体溶液为均匀分散的溶液，开启蠕动泵、压缩机、加热器，将制备的前驱体溶液泵入高温环形空气发生头，加热器出口温度为230-600℃、喷雾时间为5s；根据所需石墨烯薄膜厚度，可以控制上述操作的进料流量。成型完毕，履带式运输机自动开启，开始下一张薄膜成型。
本发明具有以下有益效果：
本发明的高温环形空气成型法制备石墨烯薄膜工艺简单，可以通过环形空气流的方向和大小，可在任何形状的基体上成型。更重要的是，环形空气流本身就是高温气体，可在成型过程中将氧化石墨烯薄膜还原成石墨烯薄膜，省去了额外的热压工艺。工业放大可行性高，且由于工艺属于空气沉积，可以利用多种可控功能化石墨烯制备多种功能化前驱液，并以去离子水作为分散相，由于考虑了石墨烯片层在空气中的漂浮性，直接通过高温空气环形成型装置配合柱状收集装置将石墨烯片层沿容器径向沉积于容器内表面，后经过分离与剪裁，有望在多种尖端薄膜领域得到应用。
附图说明
图1为氧化石墨烯的红外光谱图。
图2为本发明石墨烯薄膜的光学照片。
图3为本发明高温环形空气成型设备的原理图。
图中，1、风机，2、加热器，3、压缩机，4、蠕动泵，5、环形空气发生头，6、薄膜收集装置，7、运输机。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1
1)氧化石墨烯的制备
采用化学氧化法合成氧化石墨烯，冻干成氧化石墨烯粉末。
2)氧化石墨烯前驱液的制备
将1)中制备的氧化石墨烯溶液配制成浓度为2mg/ml的水溶液。
3)韧性导热导电石墨烯薄膜的制备
高温环形空气成型设备包括风机1、加热器2、压缩机3、蠕动泵4、环形空气发生头5、运输机7、薄膜收集装置6，所述风机1通过管道与环形空气发生头5连接，风机与环形空气发生头5之间的管道上设有加热器2，环形空气发生头5通过管道分别与压缩机3和蠕动泵4连接，环形空气发生头5下方设有薄膜收集装置6，薄膜收集装置6设置于运输机7上。
以上制备的前驱体溶液为均匀分散的溶液，开启蠕动泵、压缩机、加热器，将上述制备的前驱体溶液泵入高温环形空气发生头，加热器出口温度为230℃、喷雾时间为5s；根据所需石墨烯薄膜厚度，可以控制上述操作的进料流量。成型完毕，履带式运输机自动开启，开始下一张薄膜的成型。
在所制备的薄膜中随机抽出一张进行性能检测，得到以下检测结果：厚度15±2μm，拉伸强度0.051MPa，断裂伸长率20％，弯曲次数104次以上，电导率为3.5×103S/cm，导热率为883.1W/m·k。
实施例2
(1)氧化石墨烯的制备
采用化学氧化法合成氧化石墨烯，冻干。
(2)氧化石墨烯前驱液的制备
称取0.1g氧化石墨烯干粉，配成浓度为5mg/ml的氧化石墨烯水溶液。
(3)韧性导热导电石墨烯薄膜的制备
以上制备的前驱体溶液为均匀分散的溶液，开启蠕动泵、空气压缩机、加热器，将上述制备的前驱体溶液泵入高温环形空气发生头，加热器出口温度为500℃、喷雾时间为5s；根据所需石墨烯薄膜厚度，可以控制上述操作的进料流量。成型完毕，履带式运输机自动开启，开始下一张薄膜成型。
在所制备的薄膜中随机抽出一张进行性能检测，得到以下检测结果：厚度25±2μm，拉伸强度0.065MPa，断裂伸长率26％，弯曲次数104次以上，电导率为7.8×104S/cm，导热率为957.3W/m·k。
实施例3
(1)氧化石墨烯的制备
采用化学氧化法合成氧化石墨烯，冻干，氧化石墨烯的红外光谱图如图1所示。
(2)氧化石墨烯前驱液的制备
称取0.1g氧化石墨烯干粉，配成浓度为1mg/ml的氧化石墨烯水溶液。
(3)韧性导热导电石墨烯薄膜的制备
如图3所示，以上制备的前驱体溶液为均匀分散的溶液，开启蠕动泵、空气压缩机、加热器，将上述制备的前驱体溶液泵入高温环形空气发生头，加热器出口温度为600℃、喷雾时间为5s；根据所需石墨烯薄膜厚度，可以控制上述操作的进料流量，成型完毕。履带式运输机自动开启，开始下一张薄膜成型。制得的石墨烯薄膜光学图片如图2所示。
在所制备的薄膜中随机抽出一张进行性能检测，得到以下检测结果：厚度20±2μm，拉伸强度0.055MPa，断裂伸长率21％，弯曲次数104次以上，电导率为5.6×104S/cm，导热率为1000.3W/m·k。
采用上述方法制备的韧性导电导热薄膜的部分参数详见下表：

Claims (5)

1.一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)氧化石墨烯的制备
采用化学氧化法制备氧化石墨烯；
2)氧化石墨烯前驱液的制备
将步骤1)中制备的氧化石墨烯配制成浓度为1-5mg·ml-1的水溶液；
3)石墨烯薄膜的制备
采用高温环形空气成型设备，将步骤2)中的氧化石墨烯前驱液经高温环形空气流成型在薄膜收集装置上，形成石墨烯薄膜，环形气流发生器处的高温会使氧化石墨烯还原成为石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述高温环形空气流上升方向与氧化石墨烯前驱液重力方向平行，且高温环形气流半径为15cm，薄膜收集装置成型距离为55cm。
3.根据权利要求1所述的一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述高温环形空气流出口温度为230-600℃。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，石墨烯薄膜厚度最小能达到10±2μm，导热系数为800-1000W/m·K，导电系数为103-105S/cm，R5/180°弯曲次数均达到104次以上。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种韧性导热导电石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的高温环形空气成型设备包括风机、加热器、压缩机、蠕动泵、环形空气发生头、运输机、薄膜收集装置，所述风机通过管道与环形空气发生头连接，风机与环形空气发生头之间的管道上设有加热器，环形空气发生头通过管道分别与压缩机和蠕动泵连接，环形空气发生头下方设有薄膜收集装置，薄膜收集装置设置于运输机上。
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