CN111186833A - 一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜、制备方法及其应用，属于材料制备技术领域，本发明利用激光加工方法对聚酰亚胺薄膜材料进行处理，激光的光热效应使聚酰亚胺材料发生高温分解反应，制备激光诱导石墨烯(LIG)，同时反应过程中有气体逸出，导致制备的LIG具有多孔结构。LIG的多孔结构有利于将入射太阳光经多次反射，增加光程，提高太阳光的吸收率。LIG经氧等离子体处理后，表面更为亲水，可以与液体水充分接触。此外，LIG得益于多孔结构、高的光吸收率、良好的光热转换能力，该薄膜可用于太阳能海水淡化装置，对海水进行淡化。该薄膜还可用于蒸发式加湿器，提高环境湿度。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜、制备方法及其应用。
背景技术
水是组成生命的基本要素，虽然地球表面的71％都是水，但是淡水资源却只占了全球总水量的3.5％。绝大部分海水由于其高盐度无法饮用，因此海水淡化是我们目前需要研究的一个重点问题，它对于我国乃至世界的可持续发展提供了一个长久的解决方案。目前用于海水淡化的方法有很多，主要采用的方法有蒸馏法、反渗透法、电渗析法。通过加热海水使之沸腾汽化，再冷凝成淡水的方法叫做蒸馏法，应用最广，但蒸馏法需要大量的热源，成本较高，并且对环境也有一定的影响，不符合我们的绿色发展理念；通过在浓度不同的液体两侧加上电场使之渗析速度加快的方法叫做电渗析法，其只能去除水中的电解质离子，对于不带电荷的粒子则不能去除；而反渗透法则需要用到高脱盐率、耐腐蚀、耐高压、抗污染等优异性能的海水反渗透膜，条件要求更高。近期太阳能由于其绿色、清洁、无污染而被广泛应用于海水淡化中，但是能够高效的吸收太阳光并将其转换为热能，还具有多孔结构供水分子蒸发的材料还在寻找中。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜、制备方法及其应用。利用激光加工方法对聚酰亚胺薄膜材料进行处理，激光的光热效应使聚酰亚胺材料发生高温分解反应，制备激光诱导石墨烯(LIG)，同时反应过程中有气体逸出，导致制备的LIG具有多孔结构。LIG的多孔结构有利于将入射太阳光经多次反射，增加光程，提高太阳光的吸收率。LIG经氧等离子体处理后，表面更为亲水，可以与液体水充分接触。此外，LIG得益于多孔结构、高的光吸收率、良好的光热转换能力，该薄膜可用于太阳能海水淡化装置，对海水进行淡化。该薄膜还可用于蒸发式加湿器，提高环境湿度。
本发明通过如下技术方案实现：
一种多孔石墨烯薄膜的制备方法，具体步骤如下：
(1)激光制备激光诱导多孔石墨烯薄膜(LIG)：
对聚酰亚胺薄膜进行裁剪，然后使用固定装置将薄膜固定于平整的基板上，并且保证薄膜平整，调节基板与激光光源的相对位置，使激光聚焦于薄膜材料表面；在激光控制软件中，设定加工参数，并在软件中输入所需雕刻图案，然后进行激光处理，得到激光诱导多孔石墨烯薄膜；
(2)薄膜表面氧等离子体处理：
对步骤(1)制备的激光诱导多孔石墨烯薄膜进行氧等离子体处理，时间为60-120秒，获得具有亲水特点的激光诱导多孔石墨烯薄膜。
进一步地，步骤(1)中加工的具体步骤为：
将所购厚度为0.0125-0.025mm聚酰亚胺薄膜裁剪出20mm*20mm-25mm*25mm大小的正方形，裁剪工具包括但不限于剪刀；采用固定工具将聚酰亚胺薄膜固定于50mm*50mm*5mm的平整基板上，预留出面积为15mm*15mm-20mm*20mm的正方形双面可加工区域，固定工具包括但不限于胶带等，平整基板包括但不限于浮法玻璃、亚克力板等；激光聚焦位置为薄膜表面，激光头与薄膜垂直距离为8-8.5cm；在与激光器相连的电脑端打开激光器控制软件，调节雕刻功率与雕刻深度两个参数，输入正方形雕刻图案，面积大小为15mm*15mm-20mm*20mm，预览加工位置，确保待加工区域被包含于可加工区域；一侧激光处理完毕后，将薄膜取下，翻面再次固定于平整基板上，对齐刚才的加工区域，输入正方形雕刻图案，面积大小为13mm*13mm-18mm*18mm，确保所加工区域被包含于15mm*15mm-20mm*20mm的加工区域内，再次进行激光处理，最终得到一块面积大小为13mm*13mm-18mm*18mm的多孔石墨烯的薄膜。
进一步地，在激光控制软件上设置雕刻功率参数设置为35％-45％,雕刻深度参数设置为30％-40％，保证正反两次激光诱导可以使聚酰亚胺完全转变为多孔石墨烯材料。
进一步地，步骤(2)中所述氧等离子体处理需将激光诱导多孔石墨烯薄膜进行腾空固定，所述腾空固定的方式为将之前预留出的不加工区域粘贴于多个载玻片上，使得石墨烯薄膜材料形成一种拱桥形状；或使用胶带将薄膜材料进行悬挂于等离子体处理仪器中，类似于风铃。
本发明的另一目的是提供了一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜在海水淡化方面的应用，具体地，将两个瓶口直径为5-10mm的圆口容器作为海水存储装置和淡水存储装置，将本发明制备的多孔石墨烯材料薄膜裁剪为直径5-10mm的圆形，放置在装了海水的海水存储装置水面上，完全覆盖水面，同时在容器上方加一个由海水存储装置向淡水存储装置倾斜的冷凝装置，冷凝装置温度保持为10-15℃；在太阳能作用下，多孔石墨烯薄膜放置在液体水表面，多孔石墨烯薄膜将光能转换成热能，将多孔石墨烯薄膜周围液态海水进行蒸发，从而实现海水淡化。海水中的水分子透过多孔石墨烯材料向上蒸发，遇到冷凝装置凝结，聚集后向淡水存储装置侧流动，最终在重力的作用下收集于淡水存储装置中。
本发明的第三目的提供了一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜在蒸发式加湿器装置方面的应用，蒸发式加湿器是将水转化为水蒸气，从而增加环境湿度，如果水蒸气中存在杂质或者细菌，将会对加湿效果产生一定的影响。采用本发明制备得到的多孔石墨烯薄膜应用到蒸发式加湿器中，因为经过氧等离子体处理后，多孔石墨烯薄膜亲水性更好，可以与液体水充分接触，有利于水蒸发，提高环境湿度；这种薄膜孔隙率高，亲水性好，和水可以进行充分接触，有利于提高水蒸发速度。在加湿过程中，水中的无机离子与杂质不会随着水雾散发到空气中，保护人体的健康。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)、原料为聚酰亚胺，综合性能优异并且较易获取，成本低；
(2)、采用激光加工方法方便快捷，小型商用二极管激光器即可完成，不需要昂贵的设备；
(3)、激光诱导聚酰亚胺薄膜得到的多孔石墨烯薄膜微观上具有多孔结构，便于太阳光在内部发生反射，增强太阳光吸收利用率，提高光利用率；
(4)、激光诱导多孔石墨烯薄膜可重复利用率高，绿色环保，并且便于存储
(5)、激光诱导多孔石墨烯薄膜适应性强，可以根据实际需要裁剪或弯曲成特定的形状来完成工作。
附图说明
图1为本发明的一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜的制备方法的流程示意图；
图2为本发明的一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜的制备方法对聚酰亚胺薄膜进行加工形成图案化石墨烯的实际效果示意图，图中图案为吉林大学校徽；
图3为本发明的一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜的制备方法制备的多孔石墨烯薄膜的拉曼光谱图像；
图4为本发明的一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜的制备方法制备的多孔石墨烯薄膜的扫描电子显微镜图像；
图5为本发明的一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜的制备方法制备的多孔石墨烯薄膜内光经多次反射提高光吸收率的示意图；
图6为本发明的一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜的制备方法制备的多孔石墨烯薄膜用于海水淡化的装置示意图；
图7为本发明的一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜的制备方法制备的多孔石墨烯薄膜用于蒸发式加湿器的装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
本发明所使用的小型商用激光雕刻机为二极管型激光器，可以通过调节参数来得到0-3W内的任一功率，并且在一定误差范围内可以认为是准确的。聚酰亚胺薄膜购自杜邦公司，具体型号为Kapton
颜色为淡黄色，具体厚度为0.0125-0.025mm，在一定误差范围内可认为准确。
一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜的制备方法，具体步骤如下：
(1)、使用激光加工技术诱导得到多孔石墨烯薄膜：将0.025mm厚聚酰亚胺薄膜裁剪为20mm*20mm大小的正方形，预留出面积为15mm*15mm的正方形双面可加工区域，这里切割装置包括但不限于剪刀等。然后使用固定装置将薄膜固定于50mm*50mm*5mm的平整基板上。这里固定装置包括但不限于胶带等；平整基板包括但不限于：浮法玻璃、亚克力板等。之后调节基板与激光头的相对位置，垂直距离为8cm。使激光聚焦于薄膜材料表面。在激光控制软件中，调节激光雕刻功率为45％，雕刻深度为30％，并在软件中输入所需雕刻图案，为一面积大小为15mm*15mm的正方形。首先预览并调节至合适的加工位置，按下开始按钮。加工完成后将聚酰亚胺薄膜材料取下并翻面，再次固定于平整基板上，对齐刚才的加工区域，输入正方形雕刻图案，面积大小为13mm*13mm，确保所加工区域被包含于15mm*15mm的加工区域内，再次进行激光处理，最终得到一块面积大小为13mm*13mm的完全转变为多孔石墨烯的薄膜。
(2)、使用氧等离子体仪器对材料进行表面改性：可使用的方法包括但不限于：将之前预留出的不加工区域粘贴于多个载玻片上，使得石墨烯薄膜形成一种拱桥形状。或者使用胶带将薄膜进行悬挂，类似于风铃。将固定好的薄膜进行120秒的氧等离子体处理，使得多孔石墨烯薄膜具有亲水性；完成后将材料取出，改性即完成。
图1为本发明的制备过程示意图，从图中可以看出制备过程简单，且不需使用复杂的加工工艺；由图3可知加工后薄膜的特征峰位与石墨烯基本吻合，说明PI已完全转化为LIG；由图4可知LIG微观上为多孔结构；图5为太阳光在微结构内多次反射的示意图，太阳光照射后会在其内部发生反射，增强太阳光吸收利用率。
实施例2
如图5所示，一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜在海水淡化方面的应用，具体地，将取两个瓶口直径为5-10mm的圆口容器作为海水存储装置和淡水存储装置，将本发明制备的多孔石墨烯材料薄膜裁剪为直径5-10mm的圆形，放置于装有海水存储装置水面上，完全覆盖水面，同时在容器上方加一个由海水存储装置向淡水存储装置倾斜的冷凝装置，冷凝装置为60mm*60mm*5mm的玻璃板，冷凝装置温度保持为10-15℃；在太阳能作用下，多孔石墨烯薄膜放置在液体水表面，多孔石墨烯薄膜将光能转换成热能，将多孔石墨烯薄膜周围液态海水进行蒸发，从而实现海水淡化。海水中的水分子透过多孔石墨烯材料向上蒸发，遇到冷凝装置凝结，聚集后向淡水存储装置侧流动，最终在重力的作用下收集于淡水存储装置中。
本发明的原理是利用激光的光热效应使聚酰亚胺材料发生高温分解反应，制备激光诱导石墨烯(LIG)，同时反应过程中有气体逸出，导致制备的LIG具有多孔结构。LIG的多孔结构有利于将入射进多孔结构的太阳光经多次反射被反复吸收，提高太阳光的吸收率。此外，LIG得益于多孔结构、高的光吸收率、良好的光热转换能力，非常适合于海水淡化。通过氧等离子体处理使得薄膜具有亲水性，在太阳光照射下，通过多孔石墨烯薄膜的光热转换作用，海水表面发生水蒸发，使得淡水在装置的冷凝器表面冷凝，并按照一定的方向流动，最终收集于收集器中。
实施例3
本发明还提供了将此多孔石墨烯材料用于蒸发式加湿器的应用，即利用多孔石墨烯薄膜将光能转换成热能，将多孔石墨烯薄膜周围液态水进行蒸发，从而提高环境湿度，以保证加湿器释放的水蒸气的干净，避免传统超声波水雾加湿器加湿过程将水中细菌和杂质带到空气中。
如图6所示，一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜在蒸发式加湿器装置方面的应用，将处理好的薄膜按照5mm*5mm的方块区域裁剪下来，组成石墨烯膜阵列，放置入加湿器的注水区域并完全浸没于水中。由图6可知在蒸发式加湿器中，石墨烯阵列完全浸没于水中有利于与液体水充分接触。蒸发式加湿器是将水转化为水蒸气，从而提高环境湿度。水蒸发的过程中水中的细菌和杂质不会被水蒸气带到空气中，从而保证加湿器释放的水蒸气的干净，保护人体的健康。本发明的多孔石墨烯薄膜，是使用激光器对聚酰亚胺薄膜进行加工得到多孔石墨烯薄膜，再进行氧等离子体处理改性得到的。多孔石墨烯薄膜放于水槽内部，多孔石墨烯薄膜将光能转换成热能，将多孔石墨烯薄膜周围液态水进行蒸发，从而提高环境湿度，以保证加湿器释放的水蒸气的干净，保护人体的健康。该方法可以避免传统超声波水雾加湿器加湿过程将水中细菌和杂质带到空气中。
本发明的多孔石墨烯薄膜，是使用激光器对聚酰亚胺薄膜进行加工得到多孔石墨烯薄膜，再进行氧等离子体处理改性得到的。制备的多孔石墨烯薄膜基本的功能是一种水蒸发的薄膜，即把薄膜至于水中或水面，由于多孔石墨烯薄膜可以将光能转换成热能，用于液态水的蒸发。其中，实施例2是把多孔石墨烯薄膜放置在液体水表面，多孔石墨烯薄膜将光能转换成热能，将多孔石墨烯薄膜周围液态海水进行蒸发，从而实现海水淡化。实施例3是把多孔石墨烯薄膜放于水槽内部，多孔石墨烯薄膜将光能转换成热能，将多孔石墨烯薄膜周围液态水进行蒸发，从而提高环境湿度。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (7)
1.一种多孔石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)激光制备激光诱导多孔石墨烯薄膜(LIG)：
对聚酰亚胺薄膜进行裁剪，然后使用固定装置将薄膜固定于平整的基板上，并且保证薄膜平整，调节基板与激光光源的相对位置，使激光聚焦于薄膜材料表面；在激光控制软件中，设定加工参数，并在软件中输入所需雕刻图案，然后进行激光处理，得到激光诱导多孔石墨烯薄膜；
(2)薄膜表面氧等离子体处理：
对步骤(1)制备的激光诱导多孔石墨烯薄膜进行氧等离子体处理，时间为60-120秒，获得具有亲水特点的激光诱导多孔石墨烯薄膜。
2.如权利要求1所述的一种多孔石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中加工的具体步骤为：
将所购厚度为0.0125-0.025mm聚酰亚胺薄膜裁剪出20mm*20mm-25mm*25mm大小的正方形；采用固定工具将聚酰亚胺薄膜固定于50mm*50mm*5mm的平整基板上，预留出面积为15mm*15mm-20mm*20mm的正方形双面可加工区域；激光聚焦位置为薄膜表面，激光头与薄膜垂直距离为8-8.5cm；在与激光器相连的电脑端打开激光器控制软件，调节雕刻功率与雕刻深度两个参数，输入正方形雕刻图案，面积大小为15mm*15mm-20mm*20mm，预览加工位置，确保待加工区域被包含于可加工区域；一侧激光处理完毕后，将薄膜取下，翻面再次固定于平整基板上，对齐刚才的加工区域，输入正方形雕刻图案，面积大小为13mm*13mm-18mm*18mm，确保所加工区域被包含于15mm*15mm-20mm*20mm的加工区域内，再次进行激光处理，最终得到一块面积大小为13mm*13mm-18mm*18mm的多孔石墨烯的薄膜。
3.如权利要求2所述的一种多孔石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，在激光控制软件上设置雕刻功率参数设置为35％-45％,雕刻深度参数设置为30％-40％，保证正反两次激光诱导可以使聚酰亚胺完全转变为多孔石墨烯材料。
4.如权利要求1所述的一种多孔石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述氧等离子体处理需将激光诱导多孔石墨烯薄膜进行腾空固定，所述腾空固定的方式为将之前预留出的不加工区域粘贴于多个载玻片上，使得石墨烯薄膜材料形成一种拱桥形状或使用胶带将薄膜材料进行悬挂于等离子体处理仪器中。
5.一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜，其特征在于，由权利要求1-4任意一项制备得到。
6.如权利要求5所述的一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜在海水淡化方面的应用。
7.如权利要求5所述的一种利用激光加工方法制备的多孔石墨烯薄膜在蒸发式加湿器装置方面的应用。
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