CN108461216A - 一种高导电石墨烯材料的制备方法 - Google Patents

一种高导电石墨烯材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高导电石墨烯材料的制备方法，原料为：石墨、纳米氧化铝、活性氧化镁、羧甲基纤维素、炭黑、一水硫酸锰、陶瓷纤维、硅烷偶联剂、碳酸钠、丙三醇、硬脂酸、TOTM、OPE、碳酸钙和聚乙烯蜡，混合均匀、塑化造粒后煅烧即得；原料来源广泛，吸水性小0.001‑0.005%，成本低廉，邵氏硬度110‑130；各个组分之间具有协同作用，断裂伸长率高达500‑600%，拉伸强度90‑210MPa；压缩永久变形性好，能量密度高，导电性好，印刷电极性好，可循环使用；重现性好，高效节能，可以精确制备，各个组分之间产生协同作用，缺口冲击强度35‑75J/m，使用方便，导热性好，工艺简单，可以广泛使用。

Description

一种高导电石墨烯材料的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料，尤其涉及一种高导电石墨烯材料的制备方法。
背景技术
石墨烯的化学性质与石墨类似，石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子。当这些原子或分子作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身却可以保持很好的导电性。但当吸附其他物质时，如H+和OH-时，会产生一些衍生物，使石墨烯的导电性变差，但并没有产生新的化合物。因此，可以利用石墨来推测石墨烯的性质。例如石墨烷的生成就是在二维石墨烯的基础上，每个碳原子多加上一个氢原子，从而使石墨烯中sp2碳原子变成sp3杂化。可以在实验室中通过化学改性的石墨制备的石墨烯的可溶性片段。
石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V·s），这一数值超过了硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/（V·s）。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50~500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/（V·s）左右。
另外，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，而科学家在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量，他们的速度是和动能没有关系的常数。
石墨烯可以做成化学传感器，这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的，根据部分学者的研究可知，石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。石墨烯是电化学生物传感器的理想材料，石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。
石墨烯是一种零距离半导体，因为它的传导和价带在狄拉克点相遇。在狄拉克点的六个位置动量空间的边缘布里渊区分为两组等效的三份。相比之下，传统半导体的主要点通常为Γ，动量为零。
石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。此外，石墨烯的弹道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下移。
石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。这是单层石墨烯所具有的不寻常低能电子结构。室温下对双栅极双层石墨烯场效应晶体管施加电压，石墨烯的带隙可在0~0.25eV间调整。施加磁场，石墨烯纳米带的光学响应可调谐至太赫兹范围。
当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和。这些特性可以使得石墨烯可以用来做被动锁模激光器。这种独特的吸收可能成为饱和时输入光强超过一个阈值，这称为饱和影响，石墨烯可饱和容易下可见强有力的激励近红外地区，由于环球光学吸收和零带隙。由于这种特殊性质，石墨烯具有广泛应用在超快光子学。石墨烯/氧化石墨烯层的光学响应可以调谐电。更密集的激光照明下，石墨烯可能拥有一个非线性相移的光学非线性克尔效应。
发明内容
本发明提供一种高导电石墨烯材料的制备方法，解决现有石墨烯材料成本高昂、压缩永久变形差、断裂伸长率低和硬度低等技术问题。
本发明采用以下技术方案：一种高导电石墨烯材料的制备方法，步骤为：
第一步：按照组份的质量份数配比称取石墨100份、纳米氧化铝4-8份、活性氧化镁15-25份、羧甲基纤维素0.2-0.6份、炭黑40-60份、一水硫酸锰15-25份、陶瓷纤维1-5份、硅烷偶联剂15-35份、碳酸钠8-12份、丙三醇16-20份、硬脂酸21-25份、TOTM40-60份、OPE0.2-0.6份、碳酸钙33-37份、聚乙烯蜡10-30份；
第二步：将石墨、硅烷偶联剂和硬脂酸投入研磨机中研磨35-55min，过100-300目筛后投入烘箱中干燥15-25min，再与纳米氧化铝、活性氧化镁、羧甲基纤维素和一水硫酸锰一起投入带有温度计、加热装置和搅拌装置的反应釜中，升温至50-60℃，搅拌35-75min，搅拌速度300-400 r/min；
第三步：加入陶瓷纤维、丙三醇、TOTM和OPE，升温至65-85℃，恒温反应40-60min，搅拌均匀后投入双螺杆挤出机挤出造粒；
第四步：再加入剩余原料，180-220℃下混合60-90min后投入管式炉中在氮气保护下煅烧，煅烧后静置冷却即得。
作为本发明的一种优选技术方案：所述原料按照组份的质量份数配比包括如下：石墨100份、纳米氧化铝4份、活性氧化镁15份、羧甲基纤维素0.2份、炭黑40份、一水硫酸锰15份、陶瓷纤维1份、硅烷偶联剂15份、碳酸钠8份、丙三醇16份、硬脂酸21份、TOTM40份、OPE0.2份、碳酸钙33份、聚乙烯蜡10份。
作为本发明的一种优选技术方案：所述原料按照组份的质量份数配比包括如下：石墨100份、纳米氧化铝8份、活性氧化镁25份、羧甲基纤维素0.6份、炭黑60份、一水硫酸锰25份、陶瓷纤维5份、硅烷偶联剂35份、碳酸钠12份、丙三醇20份、硬脂酸25份、TOTM60份、OPE0.6份、碳酸钙37份、聚乙烯蜡30份。
作为本发明的一种优选技术方案：所述原料按照组份的质量份数配比包括如下：石墨100份、纳米氧化铝6份、活性氧化镁20份、羧甲基纤维素0.4份、炭黑50份、一水硫酸锰20份、陶瓷纤维3份、硅烷偶联剂25份、碳酸钠10份、丙三醇18份、硬脂酸23份、TOTM50份、OPE0.4份、碳酸钙35份、聚乙烯蜡20份。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步中的烘箱烘干温度为75-95℃。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步中的挤出温度200-220℃，螺杆转速100-200r/min。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第四步中的混合速度为550-750 r/min。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第四步中的煅烧条件为先升温至400-600℃，保温3-5h，再升温至700-900℃，煅烧2-4h。
本发明所述一种高导电石墨烯材料的制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、原料来源广泛，吸水性小0.001-0.005%，成本低廉，邵氏硬度110-130；2、各个组分之间具有协同作用，断裂伸长率高达500-600%，拉伸强度90-210MPa；3、压缩永久变形性好，能量密度高，导电性好，印刷电极性好，可循环使用；4、重现性好，高效节能，可以精确制备，各个组分之间产生协同作用，缺口冲击强度35-75J/m，使用方便，导热性好，工艺简单，可以广泛使用。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
实施例1：
第一步：按质量份数配比称取：石墨100份、纳米氧化铝4份、活性氧化镁15份、羧甲基纤维素0.2份、炭黑40份、一水硫酸锰15份、陶瓷纤维1份、硅烷偶联剂15份、碳酸钠8份、丙三醇16份、硬脂酸21份、TOTM40份、OPE0.2份、碳酸钙33份、聚乙烯蜡10份。
第二步：将石墨、硅烷偶联剂和硬脂酸投入研磨机中研磨35min，过100目筛后投入烘箱中干燥15min，烘箱烘干温度为75℃，再与纳米氧化铝、活性氧化镁、羧甲基纤维素和一水硫酸锰一起投入带有温度计、加热装置和搅拌装置的反应釜中，升温至50℃，搅拌35min，搅拌速度300 r/min。
第三步：加入陶瓷纤维、丙三醇、TOTM和OPE，升温至65℃，恒温反应40min，搅拌均匀后投入双螺杆挤出机挤出造粒，挤出温度200℃，螺杆转速100r/min；
第四步：再加入剩余原料，180℃下混合60min后投入管式炉中在氮气保护下煅烧，混合速度为550 r/min，煅烧条件为先升温至400℃，保温3h，再升温至700℃，煅烧2h，煅烧后静置冷却即得。
原料来源广泛，吸水性小0.005%，成本低廉，邵氏硬度110；各个组分之间具有协同作用，断裂伸长率高达500%，拉伸强度90MPa；压缩永久变形性好，能量密度高，导电性好，印刷电极性好，可循环使用；重现性好，高效节能，可以精确制备，各个组分之间产生协同作用，缺口冲击强度35J/m，使用方便，导热性好，工艺简单，可以广泛使用。
实施例2：
第一步：按质量份数配比称取：石墨100份、纳米氧化铝8份、活性氧化镁25份、羧甲基纤维素0.6份、炭黑60份、一水硫酸锰25份、陶瓷纤维5份、硅烷偶联剂35份、碳酸钠12份、丙三醇20份、硬脂酸25份、TOTM60份、OPE0.6份、碳酸钙37份、聚乙烯蜡30份。
第二步：将石墨、硅烷偶联剂和硬脂酸投入研磨机中研磨55min，过300目筛后投入烘箱中干燥25min，烘箱烘干温度为95℃，再与纳米氧化铝、活性氧化镁、羧甲基纤维素和一水硫酸锰一起投入带有温度计、加热装置和搅拌装置的反应釜中，升温至60℃，搅拌75min，搅拌速度400 r/min。
第三步：加入陶瓷纤维、丙三醇、TOTM和OPE，升温至85℃，恒温反应60min，搅拌均匀后投入双螺杆挤出机挤出造粒，挤出温度220℃，螺杆转速200r/min；
第四步：再加入剩余原料， 220℃下混合90min后投入管式炉中在氮气保护下煅烧，混合速度为750 r/min，煅烧条件为先升温至600℃，保温5h，再升温至900℃，煅烧4h，煅烧后静置冷却即得。
原料来源广泛，吸水性小0.003%，成本低廉，邵氏硬度120；各个组分之间具有协同作用，断裂伸长率高达550%，拉伸强度100MPa；压缩永久变形性好，能量密度高，导电性好，印刷电极性好，可循环使用；重现性好，高效节能，可以精确制备，各个组分之间产生协同作用，缺口冲击强度55J/m，使用方便，导热性好，工艺简单，可以广泛使用。
实施例3：
第一步：按质量份数配比称取：石墨100份、纳米氧化铝6份、活性氧化镁20份、羧甲基纤维素0.4份、炭黑50份、一水硫酸锰20份、陶瓷纤维3份、硅烷偶联剂25份、碳酸钠10份、丙三醇18份、硬脂酸23份、TOTM50份、OPE0.4份、碳酸钙35份、聚乙烯蜡20份。
第二步：将石墨、硅烷偶联剂和硬脂酸投入研磨机中研磨45min，过200目筛后投入烘箱中干燥20min，烘箱烘干温度为85℃，再与纳米氧化铝、活性氧化镁、羧甲基纤维素和一水硫酸锰一起投入带有温度计、加热装置和搅拌装置的反应釜中，升温至55℃，搅拌55min，搅拌速度350 r/min。
第三步：加入陶瓷纤维、丙三醇、TOTM和OPE，升温至75℃，恒温反应50min，搅拌均匀后投入双螺杆挤出机挤出造粒，挤出温度210℃，螺杆转速150r/min；
第四步：再加入剩余原料，200℃下混合70min后投入管式炉中在氮气保护下煅烧，混合速度为650 r/min，煅烧条件为先升温至500℃，保温4h，再升温至800℃，煅烧3h，煅烧后静置冷却即得。
原料来源广泛，吸水性小0.001%，成本低廉，邵氏硬度130；各个组分之间具有协同作用，断裂伸长率高达600%，拉伸强度210MPa；压缩永久变形性好，能量密度高，导电性好，印刷电极性好，可循环使用；重现性好，高效节能，可以精确制备，各个组分之间产生协同作用，缺口冲击强度75J/m，使用方便，导热性好，工艺简单，可以广泛使用。
以上是对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种高导电石墨烯材料的制备方法，其特征在于步骤为：
第一步：按照组份的质量份数配比称取石墨100份、纳米氧化铝4-8份、活性氧化镁15-25份、羧甲基纤维素0.2-0.6份、炭黑40-60份、一水硫酸锰15-25份、陶瓷纤维1-5份、硅烷偶联剂15-35份、碳酸钠8-12份、丙三醇16-20份、硬脂酸21-25份、TOTM40-60份、OPE0.2-0.6份、碳酸钙33-37份、聚乙烯蜡10-30份；
第二步：将石墨、硅烷偶联剂和硬脂酸投入研磨机中研磨35-55min，过100-300目筛后投入烘箱中干燥15-25min，再与纳米氧化铝、活性氧化镁、羧甲基纤维素和一水硫酸锰一起投入带有温度计、加热装置和搅拌装置的反应釜中，升温至50-60℃，搅拌35-75min，搅拌速度300-400 r/min；
第三步：加入陶瓷纤维、丙三醇、TOTM和OPE，升温至65-85℃，恒温反应40-60min，搅拌均匀后投入双螺杆挤出机挤出造粒；
第四步：再加入剩余原料，180-220℃下混合60-90min后投入管式炉中在氮气保护下煅烧，煅烧后静置冷却即得。
2.根据权利要求1所述的高导电石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述原料按照组份的质量份数配比包括如下：石墨100份、纳米氧化铝4份、活性氧化镁15份、羧甲基纤维素0.2份、炭黑40份、一水硫酸锰15份、陶瓷纤维1份、硅烷偶联剂15份、碳酸钠8份、丙三醇16份、硬脂酸21份、TOTM40份、OPE0.2份、碳酸钙33份、聚乙烯蜡10份。
3.根据权利要求1所述的高导电石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述原料按照组份的质量份数配比包括如下：石墨100份、纳米氧化铝8份、活性氧化镁25份、羧甲基纤维素0.6份、炭黑60份、一水硫酸锰25份、陶瓷纤维5份、硅烷偶联剂35份、碳酸钠12份、丙三醇20份、硬脂酸25份、TOTM60份、OPE0.6份、碳酸钙37份、聚乙烯蜡30份。
4.根据权利要求1所述的高导电石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述原料按照组份的质量份数配比包括如下：石墨100份、纳米氧化铝6份、活性氧化镁20份、羧甲基纤维素0.4份、炭黑50份、一水硫酸锰20份、陶瓷纤维3份、硅烷偶联剂25份、碳酸钠10份、丙三醇18份、硬脂酸23份、TOTM50份、OPE0.4份、碳酸钙35份、聚乙烯蜡20份。
5.根据权利要求1所述的高导电石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中的烘箱烘干温度为75-95℃。
6.根据权利要求1所述的高导电石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述第三步中的挤出温度200-220℃，螺杆转速100-200r/min。
7.根据权利要求1所述的高导电石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述第四步中的混合速度为550-750 r/min。
8.根据权利要求1所述的高导电石墨烯材料的制备方法，其特征在于：所述第四步中的煅烧条件为先升温至400-600℃，保温3-5h，再升温至700-900℃，煅烧2-4h。
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