CN109526073B - 一种高可靠性cvd石墨烯透明红外发射膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜及其制备方法，其通过在石墨烯层和基底层之间设置一个附着力增强层，且该附着力增强层具有特定的结构，其具有柔顺的主链结构，且侧基为高极性基团，因此，其与石墨烯能够在分子尺度充分贴近，并通过分子链的协调运动，使得附着力增强层的极性基团最大程度地与石墨烯晶界缺陷形成强氢键作用，并通过氢键的断裂吸收传递至界面的应力，从而避免承受外力状态下单层石墨烯薄膜结构的破损；应力消失后，氢键又可逆的形成，因而提供了一种长效的界面作用力增强效果，保障红外发射膜的可靠性。

Description

一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及远红外技术领域，具有涉及一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜及其制备方法。

背景技术

近年来，基于石墨烯的红外发射膜因其轻薄便携，外观透明，热容小且热损低等优点而广受关注。然而，通过CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)制备的石墨烯薄膜的晶界存在众多结构缺陷，极大削弱了其力学性能：拉伸强度和破坏应变分别只有2GPa和0.2％(Nat.Commun.2014,5,3782)。也正因为CVD制备的石墨烯的低力学强度，使得基于石墨烯的红外发射膜存在以下缺陷：

1.在红外发射膜加工制造过程中，CVD法制备的石墨烯与其它材料物理接触或摩擦时，容易受到损伤，从而降低产品良率；

2.在使用过程中，当红外发射膜受到局部集中应力或疲劳弯曲应力作用时，该红外发射膜中的石墨烯层将受力开裂或破损，从而造成红外发射膜功能减弱，甚至完全失效，缩短了红外发射膜的使用寿命。

目前最为常用的石墨烯薄膜转移方法是热释放法。以热释放胶带为临时基底将石墨烯薄膜从金属衬底转移下来并释放到透明目标基底表面，基底与石墨烯层直接接触，层间作用力弱，透明胶带能够轻易将石墨烯薄膜粘离基底表面，如附图4所示。在进一步的制程中石墨烯易损伤，且上层功能层，例如电极层，易脱落。已见报道的其它方法，以聚合物作为中间层连接基底与石墨烯层，并未针对石墨烯的附着力以及抗破坏能力进行优化，不能解决上述问题。例如专利CN201720046374.6中提到的环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚酰亚胺、丙烯酸树脂等，专利CN201610879056.8报道的多巴胺聚合物等，并不能提高石墨烯附着力，透明胶带仍然能够轻易破坏石墨烯层，如附图5所示，造成结构大面积缺损。

针对石墨烯层间作用力弱，附着力差，进而导致的制程良率及器件可靠性低下的问题，本发明提出通过特殊设计优化的聚合物层，以提高石墨烯膜层附着力，进而制备高可靠性的红外发射膜。

发明内容

为了解决现有技术中CVD石墨烯易受损而导致红外发射效果降低，甚至完全丧失的问题，本发明提供了一种基于单层CVD石墨烯薄膜高可靠性透明红外发射膜，可耐受1万次反复弯曲(弯曲半径为5mm)，保持红外发射功能的完好性。

为了达到上述技术效果，本发明提供的技术方案为：

一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜，包括从下至上依次层叠设置的透明基底、石墨烯层和电极层，所述透明基底和所述石墨烯层之间设置附着力增强层，且所述附着力增强层与所述石墨烯层直接接触，其中，所述附着力增强层是由富含极性有机官能团的聚合物制成的，所述极性有机官能团包括羟基、羧基、巯基和磺酸基中的任意一种，或者，所述极性有机官能团包括羟基和巯基。

其中，所述附着力增强层中的极性有机官能团含量为0.17-2.1mol/100g。

进一步地，所述附着力增强层的厚度为0.1-500um，优选地，所述附着力增强层的厚度为0.1-15um。

其中，所述石墨烯层为通过CVD方法制备的单层石墨烯薄膜，由众多小单晶拼接而成的连续结构，其所包含石墨烯单晶大小为0.1-100um；

进一步地，石墨烯单晶平均大小为3-6um。

其中，所述聚合物为非交联的线性或支化结构，或者化学交联结构；和/或，所述聚合物的硬度为10-90HA，优选地，所述聚合物的硬度为30-76HA。

本发明还提供了一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法，其包括步骤：

将甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯(HEA)、甲基丙烯酸(MA)、丙烯酸(AA)中的任意一种或一种以上的单体，与光活性树脂、光引发剂搅拌溶解，得到透明光固化前驱液；

将所述透明光固化前驱液喷涂在预先通过CVD法制备得到的单层石墨烯薄膜上；

将涂布有透明光固化前驱液的单层石墨烯薄膜辊压贴合在透明基底上，并通过UV辐照方式使前驱液固化形成所述透明基底与所述石墨烯层之间的附着力增强层；然后在所述石墨烯层上布设电极层。

其中，所述光活性树脂为聚丙二醇醚主链的含双键光活性树脂，或者聚己内酯二丙烯酸酯，或者氢化聚丁二烯二丙烯酸酯，或者共聚丙烯酸酯二丙烯酸酯。

进一步地，制备所述光固化前驱液时加入质量百分比为2-5％单或多官能硫醇。

本发明的有益之处在于：

本发明公开了一种基于石墨烯的高可靠性透明红外发射膜，其通过在石墨烯层和基地层之间设置一个附着力增强层，且该附着力增强层的具有特定的结构，其具有柔顺的主链结构，且侧基为高极性基团，因此，其与石墨烯在分子尺度充分贴近，从而使得附着力增强层的极性基团与石墨烯晶界缺陷形成强氢键作用，有效提高石墨烯层间作用力及附着力，进而提高石墨烯透明红外发射膜的可靠性。

另一方面，本发明所提供的高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法，由于是先将光固化前驱液涂布于CVD法制备的单层石墨烯薄膜表面，然后辊压贴合在透明基底上再通过UV辐照方式进行光固化，相较于传统的热剥离胶带转移单层石墨烯薄膜的方式，避免了石墨烯薄膜转移过程中引起的破损，即能够保证石墨烯完整的转移，同时，由于复制了铜箔表面形貌(参见图7、图8)，从而增加了表面粗糙度，即增加了接触面积，进而使石墨烯薄膜与其他材料的层间结合力增加。

附图说明

图1为本发明的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的一实施例的结构示意图；其中011为柔性透明基底、012为附着力增强层、013为单层透明CVD石墨烯层、014为电极层；

图2为实施例2所述方法制备的红外发射膜，经2万次弯曲(弯曲半径为5mm)后的红外发射照片；

图3为无附着力增强层的红外发射膜，经2万次弯曲(弯曲半径为5mm)后的红外发射照片；

图4为热释放胶带转移的石墨烯薄膜，经3M600型高粘力胶带粘揭后的光学显微照片；图中绝大部分面积上石墨烯薄膜已被粘离，仅剩余红色圆圈所标示的残片；

图5为无附着力增强层转移的石墨烯薄膜，经中粘(10-15g/25mm)的胶带粘揭后的光学显微照片；图中黑色实线所示的为缺损区域；

图6为经3M600型高粘力胶带粘揭后的石墨烯薄膜光学显微照片；

图7为铜箔/石墨烯表面光学显微照片，图中可清晰看到铜晶筹结构；

图8为本发明的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法所制备的红外发射膜的表面光学显微照片；由于附着力增强层是先涂布与铜箔石墨烯表面，因此复制了铜箔表面形貌且石墨烯转移完整；

图9为传统热剥离胶带转移单层石墨烯薄膜表面光学显微照片；表面平整，无铜箔晶筹纹路，但可清晰看到转移石墨烯破损较为严重。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参见图1，为本发明的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的一实施例的结构示意图。具体地，本实施例中的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜包括从下至上依次层叠设置的透明基底011、附着力增强层012、石墨烯层013和电极层014，其中，该附着力增强层012与该石墨烯层013直接接触。

本实施例中，该附着力增强层12为富含有极性有机官能团的聚合物制成，具体地，该极性有机官能团包括羟基、羧基、巯基和磺酸基中的任意一种，或者同时包括羟基和巯基，且该聚合物为非交联的线性或支化结构，或者化学交联结构。

进一步地，该聚合物的硬度为10-90HA，优选地，该聚合物的硬度为30-76HA；且其厚度为0.1-500um，更优选地，该附着力增强层12的厚度为0.1-15um。

本实施例中，该石墨烯层为单层的多晶拼接结构，即由众多小单晶拼接而成的连续结构，其所包含石墨烯单晶大小为0.1-100um，而石墨烯单晶平均大小为3-6um。

实施例二

本发明还提供了一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法，其通过以甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯(HEA)、甲基丙烯酸(MA)、丙烯酸(AA)中的任意一种或一种以上的单体，与聚丙二醇醚主链的含双键光活性树脂、光引发剂搅拌溶解，得到透明光固化前驱液，然后将该透明光固化前驱液喷涂在预先通过CVD法制备得到的单层CVD石墨烯薄膜上，再将涂布有透明光固化前驱液的单层CVD石墨烯薄膜辊压贴合在透明基底上，并通过UV辐照方式使前驱液固化形成透明基底与单层CVD石墨烯层之间的附着力增强层；然后在单层CVD石墨烯层上布设电极层，从而得到该高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜，其中，可通过改变极性单体的加入量改变附着力增强层中极性基团的含量，以及通过加入含多个双键的单体和树脂加以调节附着力增强层的交联度，还可通过加入树脂种类、单体种类及交联密度等方式来调节该附着力增强层的硬度等，下面结合具体实施例和附图进行详细的说明：

本实施例的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法包括：

步骤1，在生长基底上利用CVD法制备得到单层CVD石墨烯层。在一具体实施例中，该生长基底为铜箔衬底。

参见图7，为步骤1中制备得到的铜箔/石墨烯的表面光学显微照片，图中可清晰看到铜晶筹结构。

步骤2，以甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为极性单体，加入柔性聚丙二醇醚主链的含双键光活性树脂和光引发剂，并搅拌溶解形成透明光固化前驱液。

步骤3，然后将步骤2中溶解形成的透明光固化前驱液通过喷涂方式涂布于步骤1中制备得到的单层CVD石墨烯层表面。

当然，本实施例中在制备附着力增强层时，也可以采用丙烯酸羟乙酯(HEA)、甲基丙烯酸(MA)、丙烯酸(AA)等极性单体替代HEMA，或上述几种单体中的任何两种或两者以上共同使用。

本实施例中，该附着力增强层中极性基团(即极性有机官能团)的含量为0.17-2.1mol/100g，具体地，可通过极性单体的加入量来调节极性基团含量(优选地，变极性基团的含量为0.17-0.78mol/100g)。

当然，本实施例中在制备附着力增强层时，所采用的光活性树脂为聚丙二醇醚主链的含双键的光活性树脂，当然也可以是聚己内酯二丙烯酸酯、氢化聚丁二烯二丙烯酸酯或共聚丙烯酸酯二丙烯酸酯等含柔性链段的光活性树脂。

当然，本实施例中在制备附着力增强层时，该附着力增强层12交联密度可通过在上述的光固化体系中加入含多个双键的单体和树脂加以调节，优选的交联度范围是5-30％。

当然，本实施例中在制备该附着力增强层12时，可通过加入树脂种类、单体种类及交联密度等方式来调节该附着力增强层的硬度，优选的邵氏硬度范围为30-55HA。

进一步地，还可在制备附着力增强层所采用的光固化体系中加入单或多官能硫醇，以调节交联均匀程度和交联密度，用量为2-5wt％(质量百分比)。具体地，该单官能硫醇或多官能硫醇可以是十二烷基硫醇，或巯基乙醇，或硫代二甘醇，或三羟甲基丙烷三(2-巯基乙酸酯)，或季戊四醇四(2-巯基乙酸酯)。

步骤4，将涂布有透明光固化前驱液的单层CVD石墨烯层与透明基底PET以辊压方式贴合。

步骤5，通过UV辐照方式使透明光固化前驱液固化，从而在透明基底PET与单层CVD石墨烯层之间形成2-8um的附着力增强层。

参见图8，由于本实施例中是先将前驱液涂布于石墨烯表面，并将其辊压在透明基底后，再进行光固化形成附着力层，因此，所制备的红外发射膜完整的复制了铜箔表面形貌，并且石墨烯完整的被转移。

步骤6，通过溶液刻蚀去除铜箔并清洗干燥暴露出的单层CVD石墨烯层，并通过丝网印刷在单层CVD石墨烯层表面制备电极层。

本实施例所制备的红外发射膜经过2万次弯曲(弯曲半径为5mm)后，仍能保持较好红外发射的均匀性(图2所示)，而无附着力增强层的红外发射膜均匀性明显变差，如图3所示，右端出现暗区。

实施例三

本发明还提供了另一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法，下面结合具体实施例和附图进行详细的说明：

本实施例的红外发射膜的制备方法包括：

步骤1，在铜箔衬底上，利用CVD法制备单层CVD石墨烯层，并将热剥离胶带与单层CVD石墨烯层辊压贴合，然后用溶液刻蚀去除铜箔，漏出石墨烯层并清洗吹干备用。

步骤2，将PVA溶于去离子水中配制成水溶液，并将PVA水溶液通过微凹涂布于目标基底PEN上，然后加热干燥形成基于PVA的线性附着力增强层。

本实施例中，该PVA层的厚度范围为0.1-30um，当然，也可该厚度也可根据实际需要，通过溶液浓度、涂布工艺参数进行调节得到相应厚度的PVA层。

步骤3，将步骤1中得到的石墨烯层与步骤2中得到PVA层辊压贴合，使得该石墨烯层与PVA层直接接触，然后对其进行加热以分离热剥离胶带，得到石墨烯层与PVA层直接复合结构。

步骤4，将步骤2中得到复合结构浸于去离子水中约1min，取出于洁净环境下晾干，然后在单层CVD石墨烯层表面通过丝印制备电极层。

当然，本实施例中，附着力增强层也可采用聚丙烯酸或者聚苯乙烯磺酸来制备。

本实施例所转移的单层CVD石墨烯薄膜，通过粘力为10-15g/25mm的中粘及3M600型高粘力胶带粘揭后，结构保持完整，如图6所示。相比之下，无附着力增强层转移的单层石墨烯薄膜，仅由热剥离胶带转移石墨烯或粘胶带粘揭后就能产生大面积石墨烯缺损，如图5和图9所示。当然，本实施例中，也可采用聚丙烯酸或聚苯乙烯磺酸材料来制备该附着力增强层。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜，包括从下至上依次层叠设置的透明基底、石墨烯层和电极层，其特征在于，所述透明基底和所述石墨烯层之间设置附着力增强层，且所述附着力增强层与所述石墨烯层直接接触，其中，所述附着力增强层是由富含极性有机官能团的聚合物制成的，其中，所述极性有机官能团包括羟基、羧基、巯基和磺酸基中的任意一种，或者所述极性有机官能团包括羟基和巯基；

所述高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法为：

将甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯（HEA）、甲基丙烯酸（MA）、丙烯酸（AA）中的任意一种或一种以上的单体，与光活性树脂和光引发剂搅拌溶解，得到透明光固化前驱液；其中，所述光活性树脂为聚丙二醇醚主链的含双键光活性树脂，或者聚己内酯二丙烯酸酯，或者氢化聚丁二烯二丙烯酸酯，或共聚丙烯酸酯二丙烯酸酯；

将所述透明光固化前驱液喷涂在预先通过CVD法制备得到的单层石墨烯薄膜上；

将涂布有透明光固化前驱液的单层石墨烯薄膜辊压贴合在透明基底上，并通过 UV 辐照方式使前驱液固化形成所述透明基底与所述石墨烯层之间的附着力增强层；然后在所述石墨烯层上布设电极层。

2.如权利要求1所述的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜，其特征在于，所述附着力增强层中的极性有机官能团含量为0.17-2.1mol/100g。

3.如权利要求2所述的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜，其特征在于，所述附着力增强层的厚度为0.1-500um。

4.如权利要求3所述的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜，其特征在于，所述附着力增强层的厚度为0.1-15um。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜，其特征在于，所述石墨烯层为通过CVD方法制备的单层石墨烯薄膜，由众多小单晶拼接而成的连续结构，其所包含石墨烯单晶大小为0.1-100um。

6.如权利要求5所述的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜，其特征在于，石墨烯单晶平均大小为3-6um。

7.如权利要求1至4中任意一项所述的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜，其特征在于，所述聚合物为非交联的线性或支化结构，或者化学交联结构；和/或，所述聚合物的硬度为10-90HA。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：

将甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯（HEA）、甲基丙烯酸（MA）、丙烯酸（AA）中的任意一种或一种以上的单体，与光活性树脂和光引发剂搅拌溶解，得到透明光固化前驱液；其中，所述光活性树脂为聚丙二醇醚主链的含双键光活性树脂，或者聚己内酯二丙烯酸酯，或者氢化聚丁二烯二丙烯酸酯，或共聚丙烯酸酯二丙烯酸酯；

将所述透明光固化前驱液喷涂在预先通过CVD法制备得到的单层石墨烯薄膜上；

将涂布有透明光固化前驱液的单层石墨烯薄膜辊压贴合在透明基底上，并通过 UV 辐照方式使前驱液固化形成所述透明基底与所述石墨烯层之间的附着力增强层；然后在所述石墨烯层上布设电极层。

9.如权利要求8所述的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法，其特征在于，制备所述光固化前驱液时加入质量百分比为2-5 wt %的单官能硫醇或多官能硫醇。

10.如权利要求9所述的一种高可靠性CVD石墨烯透明红外发射膜的制备方法，其特征在于，所述单官能硫醇或多官能硫醇为十二烷基硫醇、巯基乙醇、硫代二甘醇、三羟甲基丙烷三（2-巯基乙酸酯）或季戊四醇四（2-巯基乙酸酯）。

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