CN110451494A - 一种卷对卷连续转移石墨烯的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，包括卷对卷传送机构、供料涂布机构、固化机构；供料涂布机构，包括涂布器，其包括涂布液入口、至少一个分配腔、以及涂布器端部；涂布液入口通过狭缝依次与分配腔、涂布器端部相连；卷对卷传送机构包括涂布辊，涂布辊与供料涂布机构的涂布器端部靠近，用于限定待覆膜的石墨烯‑金属铜箔经过供料涂布机构的涂布器端部；卷对卷传送机构带动待覆膜的石墨烯‑金属铜箔依次经过涂布器端部和固化机构；固化机构用于将均匀涂布在石墨烯‑金属铜箔上的涂布液固化为覆膜。本发明采用涂布器利用涂布液与石墨烯层的亲和力，顺序涂布贴合更好、涂布更加均匀、不易夹杂气泡，更有利于保护石墨烯薄膜。

Description

一种卷对卷连续转移石墨烯的装置
技术领域
本发明属于石墨烯薄膜制备领域，更具体地，涉及一种卷对卷连续转移石墨烯的装置。
背景技术
由于石墨烯薄膜具有极高的机械强度，极高的透光性，优良的导热性和导电性，因此具有广泛的应用：石墨烯薄膜的透光性好，导电性好，弯曲性好等优点，在触摸屏，柔性显示上具有极大的吸引力，随着智能设备快速增长，脆弱的ITO膜无法满足未来柔性电子的要求，而石墨烯的透明导电性及柔韧性在柔性显示领域有无可替代的作用，为石墨烯替代氧化铟锡材料(ITO)打开了市场空间，替代性需求巨大；石墨烯薄膜兼具透明性和导电性，而太阳能电池是将太阳光转化成电能的装置，光透过透明玻璃电极，照射在半导体上产生电流，因此石墨烯制成透明导电薄膜，可以应用在太阳能电池上；石墨烯电阻率极低，因此被期待用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管；石墨烯与硅有很好的兼容性，将来有望替代硅基工业。
目前已经发展出若干制备石墨烯薄膜的方法，化学气相沉积CVD法是公认最可能实现高效、大规模制备石墨烯薄膜的方法，如今CVD法制备石墨烯薄膜都是采用卷对卷连续制备的方式，实现快速大规模制备出大面积的石墨烯。在制备出石墨烯后，还需要把石墨烯从铜基底材料上剥离下来，转移到目标基底上以便利用，该步骤称为石墨烯的转移。转移分两步：1、覆膜(覆盖目标基底)；2、剥离铜基底。
中国专利文件CN109179394A公开了一种石墨烯薄膜直接转装置及方法，主要采用基底膜前体涂布液通过料斗流延至所述带金属箔的石墨烯薄膜表面；且通过刮刀形成预设厚度的基底膜前体涂布液，固化形成“目标基底+石墨烯+铜基底”的结构，然后通过腐蚀或电化学鼓泡等方法除去铜基底，得到“石墨烯+目标基底”的结构。这种方法在把基底膜前体涂布液流延成膜时，由于需要将大量涂布液倒铺在带铜箔的石墨烯薄膜上，造成铜箔张力变化，受力不均匀。刮刀快速成膜过程会导致基底膜上引入气泡。总体而言，现有的大规模石墨烯薄膜生产方法及装置，容易出现覆盖不均匀，部分地方易鼓泡，在后面剥离铜基底时会严重损坏石墨烯。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其目的在于通过改进供料涂布机构及其关联机构大面积均匀的使得涂布液均匀分散，从而形成均匀、一致性高、厚度可控且致密不含气泡的石墨烯基底膜，避免之后由于基底步军与导致的剥离损伤，由此解决校友技术基底涂布成型不均匀、夹杂气泡的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其包括卷对卷传送机构、供料涂布机构、固化机构；
所述供料涂布机构，包括涂布器，其包括涂布液入口、至少一个分配腔、以及涂布器端部；所述涂布液入口通过狭缝依次与分配腔、涂布器端部相连；
所述卷对卷传送机构包括涂布辊，所述涂布辊与所述供料涂布机构的涂布器端部靠近，用于限定待覆膜的石墨烯-金属铜箔经过所述供料涂布机构的涂布器端部；所述卷对卷传送机构带动待覆膜的石墨烯-金属铜箔依次经过涂布器端部和固化机构；
所述固化机构用于将均匀涂布在所述石墨烯-金属铜箔上的涂布液固化为覆膜。
优选地，所述石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其供料涂布机构，其包括第一与第二分配腔。
优选地，所述石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其所述涂布器端部与所述待覆膜的石墨烯-金属铜箔的运动方向夹角大于或等于90°，优选为90°。
优选地，所述石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其所述涂布器端部水平设置。
优选地，所述石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其所述涂布器端部出口宽度在0.05mm-5mm之间。
优选地，所述石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其所述涂布器端部出口宽度可调。
优选地，所述石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其所述涂布机构包括送料泵，所述送料泵与涂布液入口连通，维持涂布器端部内涂布液压强为1×105至1×106Pa。
优选地，所述石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其所述卷对卷传送机构包括收卷辊，所述收卷辊由伺服电机驱动，所述伺服电机工作在速度模式。
优选地，所述石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其所述卷对卷传送机构包括放卷辊，所述放卷辊上安装有磁粉制动器，用于维持石墨烯-金属铜箔张力。
优选地，所述石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其所述固化机构为紫外光固化机构和/或热固化机构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明采用液体覆盖在石墨烯表面再成膜，采用涂布器利用涂布液与石墨烯层的亲和力，顺序涂布，与现有的使用大量涂布液利用重力流延采用刮刀抹平的涂布方法，贴合更好、涂布更加均匀、不易夹杂气泡，更有利于保护石墨烯薄膜；优选方案，配合涂布辊位置选择、涂布器端部姿态以及与涂布辊的位置关系、收卷辊维持均匀的铜箔滚动速度、放卷辊维持稳定的铜箔张力，使得任意时刻影响涂布液分布的因素几乎一致，因此采用本发明的形成的石墨烯基底均匀的同时，一致性高。
2、本发明在操作使用上更简单，免去了目前转移设备需要卷绕胶膜，和对齐胶膜与铜箔的工序，只需卷绕上铜箔即可。
3、本发明可通过调整速度和涂布器与铜箔的距离即可调整目标基底的厚度，比目前使用的方法更灵活。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的紫外光固化石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置正视图；
图2是本发明实施例1提供的紫外光固化石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置俯视图；
图3是本发明实施例1提供的涂布器剖视图；
图4是本发明实施例2提供的热固化石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置正视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-供料涂布机构，2-卷对卷传送机构，3-固化机构，11-料仓，12-送料泵，13-送料管道，14-涂布器，15-涂布液，21-收卷电机(伺服电机),22-磁粉制动器，23-放卷辊，24-涂布辊，25-收卷辊，26-铜箔，31-紫外光固化机，32-加热板，141-涂布器下部，142-涂布器上部，143-涂布器进料口，144-第一分配腔，145-第二分配腔，147-出口狭缝。
具体实施方式
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，包括卷对卷传送机构、供料涂布机构、固化机构；
所述供料涂布机构，包括涂布器、送料泵，其包括涂布液入口、至少一个分配腔、以及涂布器端部；所述涂布液入口通过狭缝依次与分配腔、涂布器端部相连；优选供料涂布机构，其包括第一与第二分配腔；所述涂布器端部出口宽度在0.05mm-5mm之间，优选其出口宽度可调。分配腔可使得涂布液在涂布器端部的轴向(与涂布辊轴向平行的方向)分布均匀，连通分配腔的狭缝为阻流狭缝，连通涂布器端部出口和分配腔的狭缝为涂布狭缝。
所述送料泵与涂布液入口连通，维持涂布器端部内涂布液压强为1×105-1×106Pa。维持涂布液压力，而涂布器端部出口的涂布液由于与石墨烯层的亲和力，自然附着在相对运动的石墨烯层表面，形成的涂布层由于形成时受力状况无差别，因此各处的涂布层分布厚度一致。
所述卷对卷传送机构包括涂布辊、收卷辊、和送卷辊。所述涂布辊与所述供料涂布机构的涂布器端部靠近，用于限定待覆膜的石墨烯-金属铜箔经过所述供料涂布机构的涂布器端部；所述卷对卷传送机构带动待覆膜的石墨烯-金属铜箔依次经过涂布器端部和固化机构；所述收卷辊由伺服电机驱动，所述伺服电机工作在速度模式，涂布速度在5-50mm/s；所述放卷辊上安装有磁粉制动器，用于维持石墨烯-金属铜箔张力。涂布器端部与涂布辊靠近，将涂布液涂布在石墨烯一侧时，石墨烯-金属铜箔受到有利支撑，更好的保证涂布的均匀性。同时由于磁粉制动器维持石墨烯-金属铜箔张力不变，因此受自重变化及涂布液影响较小，涂布更加均匀。
所述涂布器端部与所述待覆膜的石墨烯-金属铜箔的运动方向夹角大于或等于90°，优选为90°；所述涂布器端部水平设置。水平布设涂布器端部，可减少重力对涂布液的影响，进一步保证均匀性。
所述固化机构用于将均匀涂布在所述石墨烯-金属铜箔上的涂布液固化为覆膜。所述固化机构为紫外光固化机构和/或热固化机构。
工作时，所述限定待覆膜的石墨烯-金属铜箔有送卷辊经涂布辊至收卷辊；在涂布辊处其石墨烯一侧的外表面与涂布器端部出口的涂布液接触，涂布上均匀的涂布液层，这样涂布的涂布液层由于材料之间的亲和力会排出空气不易产生气泡；涂布液层经固化机构固化成均匀而结合紧密的基底-石墨烯-金属铜箔三明治结构。
本发明提供的装置采用了液体涂覆在石墨烯表面，然后固化成膜作为转移基底，液体涂覆再固化成膜的方法，通过调整涂覆速度和涂布器的狭缝宽度，可以调整膜厚度，通过调整涂布器的宽度，可以调整膜宽度。膜厚度可为10μm-1mm，膜宽度可为1mm-500mm。
所述涂布液为有机高分子聚合物的胶粘溶液，有机高分子聚合物有多种选择，可以为光固化胶、PMMA溶液等。
以下为实施例：
实施例1
一种石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，如图1、2所示，包括本发明由供料涂布机构(1)、卷对卷传送机构(2)、固化机构(3)和电气机构等组成。所述电气机构实现供料涂覆、卷对卷传送、张力控制、固化的控制等。
所述供料涂布机构包括有料仓(11)、送料泵(12)、送料管路(13)和涂布器(14)，送料管路(13)依次把料仓(11)、送料泵(12)和涂布器(14)连接起来，料仓内装有待涂布的液体，送料泵(12)把具有一定黏度的液体压入涂布器(14)，然后均匀的从涂布器的涂布狭缝内挤出至涂布器端部出口，涂布在生长有石墨烯的铜箔(26)上。
所述涂布器(14)，如图3所示，由上下两部分(141、142)组成，液体从入口(143)进入，在第一分配腔(144)和第二分配腔(145)内轴向分布均匀后，从涂布器端部出口狭缝(147)扩散出去，均匀涂布在铜箔上。第一分配腔(144)和第二分配腔(145)之间为阻流狭缝(146)。所述涂布器(14)水平径向设置于涂布辊处。
所述铜箔(26)为生长有石墨烯的铜箔，所述石墨烯一侧在外表面，与涂布液接触。
所述卷对卷传送机构(2)主要由放卷辊(23)、涂布辊(24)、收卷辊(25)组成，所述放卷辊(23)上安装有磁粉制动器(22)，所述收卷辊(25)上安装有伺服电机(21)。
所述伺服电机(21)工作在速度模式，利用磁粉制动器(22)控制张力
所述固化机构(3)为紫外光固化机(31)，紫外光固化型涂布液采用紫外光固化方式。
所述涂布液为有机高分子聚合物的胶粘溶液，为光固化胶。覆膜前，先将卷状铜箔安装在放卷辊(23)上，绕过涂布辊(24)，穿过光固化机(31)，收卷到收卷辊(25)上。检查料仓(11)内光固化型涂覆液是否充足，设置好收卷张力和涂覆速度。然后启动光固化机(31)，设置好强度。接着启动送料泵(12)开始供料，当涂布器(14)出料稳定后开始收卷。
实施例2
一种石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，如图4所示，其与实施例1的装置机构类似，其固化装置为热固化装置，即加热板(32)。覆膜前，先将卷状铜箔安装在放卷辊(23)上，绕过涂布辊(24)，经过加热板(32)，收卷到收卷辊(25)上。检查料仓(11)内热固化型涂覆液是否充足，设置好收卷张力和涂覆速度。然后启动加热板(32)，等待加热板(32)温度达到设定温度，接着启动送料泵(12)开始供料，当涂布器(14)出料稳定后开始收卷。
本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，包括卷对卷传送机构、供料涂布机构、固化机构；
所述供料涂布机构，包括涂布器，其包括涂布液入口、至少一个分配腔、以及涂布器端部；所述涂布液入口通过狭缝依次与分配腔、涂布器端部相连；
所述卷对卷传送机构包括涂布辊，所述涂布辊与所述供料涂布机构的涂布器端部靠近，用于限定待覆膜的石墨烯-金属铜箔经过所述供料涂布机构的涂布器端部；所述卷对卷传送机构带动待覆膜的石墨烯-金属铜箔依次经过涂布器端部和固化机构；
所述固化机构用于将均匀涂布在所述石墨烯-金属铜箔上的涂布液固化为覆膜。
2.如权利要求1所述的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，供料涂布机构，其包括第一与第二分配腔。
3.如权利要求1所述的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，所述涂布器端部与所述待覆膜的石墨烯-金属铜箔的运动方向夹角大于或等于90°，优选为90°。
4.如权利要求3所述的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，所述涂布器端部水平设置。
5.如权利要求1所述的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，所述涂布器端部出口宽度在0.05mm-5mm之间。
6.如权利要求1所述的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，所述涂布器端部出口宽度可调。
7.如权利要求1所述的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，所述涂布机构包括送料泵，所述送料泵与涂布液入口连通，维持涂布器端部内涂布液压强为1×105至1×106Pa。
8.如权利要求1所述的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，所述卷对卷传送机构包括收卷辊，所述收卷辊由伺服电机驱动，所述伺服电机工作在速度模式。
9.如权利要求1所述的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，所述卷对卷传送机构包括放卷辊，所述放卷辊上安装有磁粉制动器，用于维持石墨烯-金属铜箔张力。
10.如权利要求1所述的石墨烯薄膜卷对卷覆膜装置，其特征在于，所述固化机构为紫外光固化机构和/或热固化机构。
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