CN110158123A - 一种表面金属化石墨烯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属基复合材料增强体技术领域，尤其涉及一种表面金属化石墨烯及其制备方法。将氧化石墨烯分散液及活性剂在电镀液中混合，以钛为阴极、以铜作为阳极板接入直流电进行电镀，使氧化石墨烯在电镀过程中沉积在表面已镀覆有一层铜膜的钛板上，钛板上形成含有铜和氧化石墨烯的复合镀层，将复合镀层收集得到表面金属化石墨烯，该表面金属化石墨烯包括包裹在氧化石墨烯表面的金属膜，金属膜为金属铜膜。本发明无需引入连接介质，大幅缩短工艺流程，降低生产成本，同时，制备原料可循环利用，无废液产生，对环境友好，且改善了石墨烯与金属基体之间的润湿性，解决石墨烯在金属基体中难以均匀分散的问题。

Description

一种表面金属化石墨烯及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯技术领域，尤其涉及一种表面金属化石墨烯及其制备方法。
背景技术
金属基复合材料相对于传统基体合金具有高比强度、高比刚度、高比模量，优良的高温力学性能和低热膨胀系数，在航空、航天、汽车、电子和交通运输工业具有十分广阔的应用前景。按照增强体的不同，金属基复合材料可分为纤维增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料和晶须增强金属基复合材料。石墨烯是目前人类已知的强度最高的物质，同时其密度仅为钢的1/5，是金属基复合材料最佳增强体。
石墨烯比表面积大(2600m2/g)，单位质量轻，易产生团聚现象，与金属界面润湿性很差，且石墨烯密度远低于铝、镁等金属密度，在金属熔体中极易产生漂浮，相对于碳纤维、碳化硅等传统金属基复合材料增强体，石墨烯难以均匀分布在金属中，很难与金属基体形成良好的复合。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种表面金属化的石墨烯及其制备方法，通过对石墨烯表面进行金属化，以提高石墨烯作为增强体时的比重、与金属基质的界面湿润性，使石墨烯成为一种性能更优、与金属熔体复合性能更好的增强体材料。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供了一种电镀法制备表面金属化石墨烯的方法，该方法将氧化石墨烯分散液及活性剂在电镀液中混合，以钛为阴极、以铜作为阳极板接入直流电进行电镀，使氧化石墨烯在电镀过程中，沉积在表面已镀覆有一层铜膜的钛板上，使钛板上形成含有铜和氧化石墨烯的复合镀层，将所述复合镀层收集，制得铜包覆石墨烯。
根据本发明，所述氧化石墨烯分散液的制备方法包括以下步骤：
s1：干燥石墨纸作为阳极，铂丝作为阴极，将阴阳极放入98％浓硫酸中，接入1.5-2.5V直流电源，反应15-25min，得到插层石墨；
s2：以插层石墨作为阳极、铂丝作为阴极，40％-60％硫酸为电解质，接入4.5-6.5V直流电源，将插层石墨缓慢放入电解质中，得到石墨氧化物；
s3：石墨氧化物经过过滤、离心洗涤后，再进行超声分散2-3h，得到氧化石墨烯分散液。
根据本发明，所述活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、N-甲基吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、木质磺酸钠、聚乙烯醇及聚丙烯酸中的一种。
根据本发明，在电镀法制备表面金属化石墨烯过程中，包括以下步骤：
步骤S1：以钛、铜分别为阴阳极板，浓度为40-70g/L的硫酸铜溶液为电解质，接入直流电源，电流密度为0.015-0.030A/cm2，保持电解质温度为15-30℃，得到镀覆有铜膜的钛板；
步骤S2：向电解质中加入硫酸形成电镀液，使电镀液pH调节为1；将氧化石墨烯分散液与活性剂混合并搅拌5-10min后，加入到所述电镀液中继续搅拌，仍以钛、铜分别为阴阳极板，接入电流密度为0.015-0.030A/cm2的直流电，在15-30℃下，电镀0.5-2h，在钛板表面获得含有铜膜和氧化石墨烯的复合镀层。
根据本发明，将所述表面有复合镀层的钛板浸泡在0.01-0.05g/L的苯并三氮唑溶液中5-10min，温度为50-60℃，进行防氧化处理。
根据本发明，将防氧化处理后的镀覆有复合镀层的钛板干燥12-24h，刮下镀层，得到铜包覆的石墨烯，研磨后300-400℃回火封装待用。
本发明中的表面金属化石墨烯本发明中的制备方法制得，包括氧化石墨烯和包裹在氧化石墨烯表面的金属膜，所述金属膜为金属铜膜。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明改善了石墨烯与金属基体之间的润湿性，解决石墨烯在金属基体中难以均匀分散的问题，且防止石墨烯与金属基体发生反应生成化合物。本发明无需引入连接介质，大幅缩短工艺流程，降低生产成本，同时，制备原料可循环利用，无废液产生，对环境友好。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程图；
图2为本发明的实施例1的石墨烯扫描电镜图；
图3为本发明的实施例1的石墨烯X射线衍射图谱。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本实施方式提供了一种电镀法制备表面金属化石墨烯的制备方法，工艺流程如图1所示，具体包括以下步骤：
s1：将4cm*10cm规格的石墨纸作为阳极、铂丝作为阴极，放入到98％的浓硫酸中，在阳极和阴极之间接入1.5-2.5V的直流电源，反应15-25min，得到插层石墨；
插层石墨作为阳极，铂丝作为阴极，40％-60％硫酸为电解质，接入4.5-6.5V直流电源，将插层石墨缓慢放入电解质中，得到石墨氧化物；
石墨氧化物经过过滤、离心洗涤后，再进行超声分散2-3h，得到0.3-0.5g/L的氧化石墨烯溶液。
s2：以铜为阳极，钛为阴极，浓度为40-70g/L的硫酸铜溶液为电解质，将铜、钛放入电解质中，接入直流电源，电流密度为0.015-0.030A/cm2，保持电解质温度为15-30℃，得到镀覆有2μm铜膜的钛板。
s3：向电解质中加入硫酸稀释形成电镀液，使电镀液pH调节为1，在将步骤S1得到的浓度为0.3-0.5g/L的氧化石墨烯溶液中加入浓度为0.25-0.35g/L的活性剂混合搅拌5-10min后，加入到电镀液中继续搅拌，在直流电源下，仍以钛、铜分别为阴阳极板，接入电流密度为0.015-0.030A/cm2的直流电，在15-30℃下电镀0.5-2h，在钛板表面镀覆有复合镀层的，所述复合镀层含有铜膜和氧化石墨烯。
s4：将s3得到的表秒有复合镀层的钛板浸泡在0.01-0.05g/L的苯丙三氮唑溶液中5-10min，温度为50-60℃，进行防氧化处理，随后取出干燥12-24h，刮下镀层得到铜包覆的氧化石墨烯，研磨后300℃回火封装待用。
实施例1
(1)取98％的浓硫酸200ml，放入250ml烧杯中，取完全干燥的石墨纸4cm*10cm作为阳极，铂丝作为阴极，接入1.5V的直流电源，反应15min，取出插层后的石墨纸，除去吸附的硫酸。
(2)插层后的石墨纸为阳极，铂丝为阴极，40％的硫酸为电解质，取200ml40％的硫酸放入250ml烧杯中，接入4.5V的直流电源，将插层后的石墨纸缓慢插入电解质中，收集膨胀石墨氧化物，经多次过滤，去离子水洗涤后，进行超声处理。
(3)以钛和铜分别为阴阳极板，在40g/L的硫酸铜溶液中，在直流电源下，电流密度为0.015A/cm2，温度为15℃，预先在钛板上镀覆2μm铜膜。
(4)石墨烯铜复合电镀，以40g/L的硫酸铜为电解质通过加入硫酸调节pH＝1得到电镀液，以钛和铜分别为阴阳极板。
在预先超声分散2h的0.3g/L石墨烯中加入0.25g/L的活性剂搅拌5min，其中活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。将搅拌后的石墨烯及添加剂混合液加入到电镀液中继续搅拌，在直流电源下，电流密度为0.015A/cm2，在15℃下电镀0.5～2h,镀后将覆有复合镀层钛板浸泡在0.01g/L的苯并三氮唑溶液中5min，温度为50℃。
(5)镀后干燥12h，将镀层刮下，进行研磨，300℃回火封装待用。
实施例2
(1)取98％的浓硫酸200ml，放入250ml烧杯中，取完全干燥的石墨纸4cm*10cm作为阳极，铂丝作为阴极，接入2.5V的直流电源，反应25min，取出插层后的石墨纸除去吸附的硫酸。
(2)插层后的石墨纸为阳极，铂丝为阴极，60％的硫酸为电解质，取200ml60％的硫酸放入250ml烧杯中，接入6.5V的直流电源，将插层后的石墨纸缓慢插入电解质中，收集膨胀石墨氧化物，经多次过滤，去离子水洗涤后，进行超声处理。
(3)以钛和铜分别为阴阳极板，在70g/L的硫酸铜溶液中，在直流电源下，电流密度为0.030A/cm2，温度为30℃，预先在钛板上镀覆2μm铜膜。
(4)以70g/L的硫酸铜为电解质通过加入硫酸调节pH＝1得到电镀液，以钛和铜分别为阴阳极板。
在预先超声分散3h的0.5g/L石墨烯中加入0.35g/L的活性剂搅拌10min，其中活性剂为十六烷基三甲基氯化铵。将搅拌后的石墨烯及添加剂混合液加入到电镀液中继续搅拌，在直流电源下，电流密度为0.030A/cm2，在30℃下电镀2h,镀后将覆有复合镀层钛板浸泡在0.05g/L的苯并三氮唑溶液中10min，温度为60℃。
(5)镀后干燥24h，将镀层刮下，进行研磨，300℃回火封装待用。
实施例3
(1)取98％的浓硫酸200ml，放入250ml烧杯中，取完全干燥的石墨纸4cm*10cm作为阳极，铂丝作为阴极，接入1.5V的直流电源，反应25min，取出插层后的石墨纸除去吸附的硫酸。
(2)插层后的石墨纸为阳极，铂丝为阴极，60％的硫酸为电解质，取200ml60％的硫酸放入250ml烧杯中，接入4.5V的直流电源，将插层后的石墨纸缓慢插入电解质中，收集膨胀石墨氧化物，经多次过滤，去离子水洗涤后，进行超声处理。
(3)以钛和铜分别为阴阳极板，在70g/L的硫酸铜溶液中，在直流电源下，电流密度为0.030A/cm2，温度为15℃，预先在钛板上镀覆2μm铜膜。
(4)石墨烯铜复合电镀，以70g/L的硫酸铜为电解质通过加入硫酸调节pH＝1得到电镀液，以钛和铜分别为阴阳极板。
在预先超声分散3h的0.3g/L石墨烯中加入0.25g/L的活性剂搅拌10min，其中活性剂为聚丙烯酸。将搅拌后的石墨烯及添加剂混合液加入到电镀液中继续搅拌，在直流电源下，电流密度为0.030A/cm2，在15～30℃下电镀2h,镀后将覆有复合镀层钛板浸泡在0.05g/L的苯并三氮唑溶液中5min，温度为50℃。
(5)镀后干燥24h，将镀层刮下，进行研磨，300℃回火封装待用。
实施例4
(1)取98％的浓硫酸200ml，放入250ml烧杯中，取完全干燥的石墨纸4cm*10cm作为阳极，铂丝作为阴极，接入2.5V的直流电源，反应25min，取出插层后的石墨纸除去吸附的硫酸。
(2)插层后的石墨纸为阳极，铂丝为阴极，40％的硫酸为电解质，取200ml40％的硫酸放入250ml烧杯中，接入4.5V的直流电源，将插层后的石墨纸缓慢插入电解质中，收集膨胀石墨氧化物，经多次过滤，去离子水洗涤后，进行超声处理。
(3)以钛和铜分别为阴阳极板，在50g/L的硫酸铜溶液中，在直流电源下，电流密度为0.020A/cm2，温度为30℃，预先在钛板上镀覆2μm铜膜。
(4)进行石墨烯铜复合电镀，以50g/L的硫酸铜为电解质通过加入硫酸调节pH＝1得到电镀液，以钛和铜分别为阴阳极板。
在预先超声分散3h的0.5g/L石墨烯中加入0.35g/L的活性剂搅拌5～10min，其中活性剂为N-甲基吡咯烷酮。将搅拌后的石墨烯及添加剂混合液加入到电镀液中继续搅拌，在直流电源下，电流密度为0.020A/cm2，在15～30℃下电镀2h，镀后将覆有复合镀层钛板浸泡在0.05g/L的苯并三氮唑溶液中5～10min，温度为60℃。
(5)镀后干燥24h，将镀层刮下，进行研磨，300℃回火封装待用。
实施例5
(1)取98％的浓硫酸200ml，放入250ml烧杯中，取完全干燥的石墨纸4cm*10cm作为阳极，铂丝作为阴极，接入1.5～2.5V的直流电源，反应20min，取出插层后的石墨纸除去吸附的硫酸。
(2)插层后的石墨纸为阳极，铂丝为阴极，50％的硫酸为电解质，取200ml50％的硫酸放入250ml烧杯中，接入5.0V的直流电源，将插层后的石墨纸缓慢插入电解质中，收集膨胀石墨氧化物，经多次过滤，去离子水洗涤后，进行超声处理。
(3)以钛和铜分别为阴阳极板，在60g/L的硫酸铜溶液中，在直流电源下，电流密度为0.030A/cm2，温度为30℃，预先在钛板上镀覆2μm铜膜。
(4)接下来进行石墨烯铜复合电镀，以60g/L的硫酸铜为电解质通过加入硫酸调节pH＝1得到电镀液，以钛和铜分别为阴阳极板。
在预先超声分散3h的0.5g/L石墨烯中加入0.35g/L的活性剂搅拌10min，其中活性剂为十二烷基苯磺酸钠。将搅拌后的石墨烯及添加剂混合液加入到电镀液中继续搅拌，在直流电源下，电流密度为0.030A/cm2，在15～30℃下电镀2h,镀后将覆有复合镀层钛板浸泡在0.04g/L的苯并三氮唑溶液中5～10min,温度为50～60℃。
(5)镀后干燥18h，将镀层刮下，进行研磨，300℃回火封装待用。
本发明无需引入连接介质，制备出的表面金属化的石墨烯，其表面无其他杂质，金属包覆率近100％，工艺流程大幅缩短，生产成本低，同时，制备原料中硫酸可循环利用，无废液产生，对环境友好。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电镀法制备表面金属化石墨烯的方法，其特征在于：
将氧化石墨烯分散液及活性剂在电镀液中混合，以钛为阴极、以铜作为阳极板接入直流电进行电镀，使氧化石墨烯在电镀过程中，沉积在表面已镀覆有一层铜膜的钛板上，使钛板上形成含有铜和氧化石墨烯的复合镀层，将所述复合镀层收集，制得铜包覆石墨烯。
2.根据权利要求1所述的电镀法制备表面金属化石墨烯的方法，其特征在于：
所述氧化石墨烯分散液的制备方法包括以下步骤：
s1：干燥石墨纸作为阳极，铂丝作为阴极，将阴阳极放入98％浓硫酸中，接入1.5-2.5V直流电源，反应15-25min，得到插层石墨；
s2：以插层石墨作为阳极、铂丝作为阴极，40％-60％硫酸为电解质，接入4.5-6.5V直流电源，将插层石墨缓慢放入电解质中，得到石墨氧化物；
s3：石墨氧化物经过过滤、离心洗涤后，再进行超声分散2-3h，得到氧化石墨烯分散液。
3.根据权利要求1所述的电镀法制备表面金属化石墨烯的方法，其特征在于：
所述活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、N-甲基吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、木质磺酸钠、聚乙烯醇及聚丙烯酸中的一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电镀法制备表面金属化石墨烯的方法，其特征在于：
在电镀法制备表面金属化石墨烯过程中，包括以下步骤：
步骤S1：以钛、铜分别为阴阳极板，浓度为40-70g/L的硫酸铜溶液为电解质，接入直流电源，电流密度为0.015-0.030A/cm2，保持电解质温度为15-30℃，得到镀覆有铜膜的钛板；
步骤S2：向电解质中加入硫酸形成电镀液，使电镀液pH调节为1；将氧化石墨烯分散液与活性剂混合并搅拌5-10min后，加入到所述电镀液中继续搅拌，仍以钛、铜分别为阴阳极板，接入电流密度为0.015-0.030A/cm2的直流电，在15-30℃下，电镀0.5-2h，在钛板表面获得含有铜膜和氧化石墨烯的复合镀层。
5.根据权利要求4所述的电镀法制备表面金属化石墨烯的方法，其特征在于：
将所述表面有复合镀层的钛板浸泡在0.01-0.05g/L的苯并三氮唑溶液中5-10min，温度为50-60℃，进行防氧化处理。
6.根据权利要求5所述的电镀法制备表面金属化石墨烯的方法，其特征在于：
将防氧化处理后的镀覆有复合镀层的钛板干燥12-24h，刮下镀层，得到铜包覆的氧化石墨烯，研磨后300-400℃回火封装待用。
7.一种表面金属化石墨烯，其特征在于：
该表面金属化石墨烯由权利要求1-6所述的制备方法制得，包括氧化石墨烯和包裹在氧化石墨烯表面的金属膜，所述金属膜为金属铜膜。
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