CN111276295A - 一种石墨烯原生包覆铜线的制备方法 - Google Patents

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梁勇
刘志成
胡晨曦
王文强
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Abstract

一种石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，包括：在浸料区内对铜线表面包裹石墨烯诱导层浆料，然后在还原区内进行干燥、还原处理，最后在生长区内通入碳源在铜线表面石墨烯诱导层上进行等离子诱导原位包覆生长石墨烯，得到石墨烯原生包覆铜线。本发明采用液态碳源为前驱体碳源，外加等离子原位诱导工艺，可在较低温度下快速的在铜线表面原生包覆质量较好的石墨烯层从而提升铜线的性能。

Description

一种石墨烯原生包覆铜线的制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯领域，具体涉及一种石墨烯原生包覆铜线的制备方法。
背景技术
电线电缆行业在中国的年产值超过1.4万亿，电缆行业大量应用高分子材料、复合材料和金属材料，预计规模年使用量达万亿。所以材料的性能提升对线缆行业的进步不容小觑。铜或铜合金是电线电缆中应用最为普遍的材料，其价格低廉、导电导热性能优良、塑性耐腐蚀性能良好。但是纯铜导线强度低，易发生断线，电网故障高。
石墨烯因具有极好的热学、电学、力学和光学性能，被称为“新材料之王”，在电线电缆、航空航天、节能环保、电子信息、交通运输等领域极具应用潜力。在复合材料、节能环保、热管理、新能源、电子信息、航天等传统领域和新兴领域上已呈现良好应用前景。由于石墨烯具有超高的载流子传输速度和热导率，信号在其中传播时的损耗比在普通材料中更低因此镀石墨烯铜线在高质量信号传输以及液晶和柔性显示器等方面有很好的应用。液相有机物分子结构相对简单，在裂解温度较低，生长出的石墨烯缺陷少，相对于甲烷等气体具有效率更高、生长温度更低、价格低廉和安全可靠等优势。
专利CN109264705A提出了一种三维石墨烯石墨烯薄膜制备铜电缆线方法。该方法主要是通过：在镍网上生长厚石墨烯，然后通过酸类及铜盐类溶液刻蚀掉镍网，再将剩余的三维石墨烯膜和铜粉复合制备铜线；该方法主要存在问题：一是镍网制备的石墨烯一般层数较多，从几层到几十层都有层数难以控制；二是工序复杂需要经过酸性及铜盐的刻蚀液刻蚀掉金属镍，刻蚀过程不仅会在石墨烯表面残留金属物质还会造成环境的污染；三是三维石墨烯和铜粉再次复合成型的过程中会造成石墨烯的二次破坏。
发明内容
本发明意在提出一种高效的石墨烯原生包覆铜线的制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，包括：在浸料区内对铜线表面包裹石墨烯诱导层浆料，然后在还原区内进行干燥、还原处理，最后在生长区内通入碳源在铜线表面石墨烯诱导层上进行等离子诱导原位包覆生长石墨烯，得到石墨烯原生包覆铜线。
优选地，所述的石墨烯诱导层浆料，按重量百分比计，包括：石墨烯0.5-5％；溶剂95-99％；助剂0.1-0.5％；石墨烯为氧化石墨烯，石墨烯片径D90＜2μm；石墨烯厚度1-4nm；石墨烯比表面积＞300m2/g。
更优选地，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、纯水、N-N二甲基乙酰胺的至少一种。
更优选地，所述助剂包括分散剂和润湿剂；润湿剂用于改善浆料和铜丝表面的浸润效果，为烷基硫酸盐、磺酸盐、脂肪酸或脂肪酸酯硫酸盐、羧酸皂类、磷酸酯、聚氧乙烯烷基酚醚，聚氧乙烯脂肪醇醚，聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物中的一种或几种；所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、吐温类、曲拉通中的一种或几种。
优选地，所述石墨烯诱导层浆料采用高压均质机两步法制备而成，第一步采用低压均质压力为15-50bar，时间10-30min；第二步采用高压均质压力为800-1000bar，时间为20-40min；制得浆料的细度＜10μm。
优选地，所述干燥处理温度为40-200℃，时间5-20min；还原处理温度为200-400℃，时间为5-30min；
优选地，所述等离子诱导原位包覆生长石墨烯中，等离子信号频率13.56MHz，石墨烯生长时等离子功率为30-300W；石墨烯生长温度为350-800℃，生长时间10-60min。
优选地，所述碳源的通入包括：将液态碳源加热气化后由载气带入石墨烯生长区，载气为惰性气体与高纯氢气的混合气体，载气流量为10-2000sccm；惰性气体和氢气的比例为(1～10):1,所述液态碳源为乙醇、丙醇、丁醇、甲苯和环己烷中的至少一种，惰性气体为氩气或氦气；所述液态碳源加热温度为50-200℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过在铜线表面预制备石墨烯诱导层降低后续原生包裹石墨烯过程的形核能量；通过液态碳源和等离子原位诱导工艺在低温下在铜线表面制备高质量的石墨烯。
本发明采用液态碳源为前驱体碳源，外加等离子原位诱导工艺，可在较低温度下快速的在铜线表面原生包覆质量较好的石墨烯层从而提升铜线的性能。
附图说明
图1为石墨烯原生包覆铜线的照片。
图2为石墨烯原生包覆铜线样品的SEM，图中a区域的白色微片为石墨烯诱导层中的石墨烯，图中b区为液态碳源在等离子诱导下原位生长的石墨烯；
图3为石墨烯原生包覆铜线样品的Raman光谱，a为图2中a区石墨烯对应的Raman图，b为图2中b区石墨烯对应的Raman图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯原生包覆铜线的制备方法，具体步骤如下：
1)制备诱导浆料：将氧化石墨烯：水：助剂按4.5％：99:％：0.5％比例混合后加入均质机；其中石墨烯片径D90为1.7μm，厚度2nm，比表面积350m2/g；助剂选择聚乙烯吡咯烷酮和磷酸酯1:1的混合溶液；均质机工艺采用低压均质压力40bar，时间25min；高压均质900bar，时间35min；诱导浆料制备后对铜丝表面进行均匀包裹；
2)还原：将包裹有诱导浆料的铜线，低速牵引至还原区进行干燥并还原，使得铜线表面均匀附着还原后的不连续的，高导石墨烯微片；其中干燥温度为150℃，时间10min；还原温度为280℃，时间为20min；
3)等离子诱导原位包覆生长石墨烯：将还原后的铜线牵引进去沉积区，进行等离子诱导原位包裹石墨烯的过程；其中等离子信号频率13.56MHz，石墨烯生长时等离子功率为200W；采用乙醇为液态前驱体，乙醇加热温度为78℃，通过氩气做为载气带入沉积区，原位生长过程中载气气体流量为300sccm；氩气和氢气的比例为5:1，石墨烯生长温度为450℃，生长时间为10min；气化的液态碳源在等离子的激发诱导下，在铜线表面不连续的高导石墨烯微片表面及侧面进行原位生长，形成连续包覆铜线的石墨烯膜。
图2为石墨烯原生包覆铜线样品的SEM，图中a区域的白色微片为石墨烯诱导层中的石墨烯，图中b区为液态碳源在等离子诱导下原位生长的石墨烯；
图3为图2中a和b区石墨烯对应的Raman图；石墨烯的特征峰为2700cm-1左右的2D峰，1580m-1左右的G峰，1350m-1左右的D峰。从Raman图看出a区域的石墨烯厚度较厚，为3-5层，1335处存在缺陷峰D峰，石墨烯一定的缺陷；b区域原位生长的石墨烯厚度为1-3层，缺陷较少。
实施例2
本实施例提供了一种石墨烯原生包覆铜线的制备方法，具体步骤如下：
1)制备诱导浆料：将氧化石墨烯：水：助剂按1.5％：99:％：0.2％比例混合后加入均质机；石墨烯片径D90为1.5μm，厚度1.5nm，比表面积380m2/g；助剂为十二烷基苯磺酸钠和聚氧乙烯烷基酚醚1:1的混合溶液；均质机工艺采用低压均质压力30bar，时间20min；高压均质850bar，时间30min；诱导浆料制备后对铜丝表面进行均匀包裹；
2)还原：将包裹有诱导浆料的铜线，低速牵引至还原区进行干燥并还原，使得铜线表面均匀附着还原后的不连续的，高导石墨烯微片；其中低温干燥温度为130℃，时间15min；高温还原温度为250℃，时间为25min；
3)等离子诱导原位包覆生长石墨烯：将还原后的铜线牵引进去沉积区，进行等离子诱导原位包裹石墨烯的过程。其中等离子信号频率13.56MHz，石墨烯生长时等离子功率为200W；采用正丙醇为液态前驱体，乙醇加热温度97℃，通过氩气做为载气带入沉积区，气体流量为100sccm；氩气和氢气的比例为1:1石墨烯生长温度为500℃，生长时间为8min；气化的液态碳源在等离子的激发诱导下，在铜线表面不连续的高导石墨烯微片表面及侧面进行原位生长，形成连续包覆铜线的石墨烯膜。

Claims (8)

1.一种石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，包括：在浸料区内对铜线表面包裹石墨烯诱导层浆料，然后在还原区内进行干燥、还原处理，最后在生长区内通入碳源在铜线表面石墨烯诱导层上进行等离子诱导原位包覆生长石墨烯，得到石墨烯原生包覆铜线。
2.如权利要求1所述的石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯诱导层浆料，按重量百分比计，包括：石墨烯0.5-5％；溶剂95-99％；助剂0.1-0.5％；石墨烯为氧化石墨烯，石墨烯片径D90＜2μm；石墨烯厚度1-4nm；石墨烯比表面积＞300m2/g。
3.如权利要求2所述的石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、纯水、N-N二甲基乙酰胺的至少一种。
4.如权利要求2所述的石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，所述助剂包括分散剂和润湿剂；所述润湿剂为烷基硫酸盐、磺酸盐、脂肪酸或脂肪酸酯硫酸盐、羧酸皂类、磷酸酯、聚氧乙烯烷基酚醚，聚氧乙烯脂肪醇醚，聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物中的一种或几种；所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、吐温类、曲拉通中的一种或几种。
5.如权利要求2所述的石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，所述石墨烯诱导层浆料采用高压均质机两步法制备而成，第一步采用低压均质压力为15-50bar，时间10-30min；第二步采用高压均质压力为800-1000bar，时间为20-40min；制得浆料的细度＜10μm。
6.如权利要求1所述的石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，所述干燥处理温度为40-200℃，时间5-20min；还原处理温度为200-400℃，时间为5-30min。
7.如权利要求1所述的石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，所述等离子诱导原位包覆生长石墨烯中，等离子信号频率13.56MHz，石墨烯生长时等离子功率为30-300W；石墨烯生长温度为350-800℃，生长时间10-60min。
8.如权利要求1所述的石墨烯原生包覆铜线的制备方法，其特征在于，所述碳源的通入包括：将液态碳源加热气化后由载气带入石墨烯生长区，载气为惰性气体与高纯氢气的混合气体，载气流量为10-2000sccm；惰性气体和氢气的比例为(1～10):1，所述液态碳源为乙醇、丙醇、丁醇、甲苯和环己烷中的至少一种，惰性气体为氩气或氦气；所述液态碳源加热温度为50-200℃。
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