CN111362256B - 一种石墨烯电磁屏蔽材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明首次提出一种通过液体发泡法制备电磁屏蔽气凝胶材料的方法，并制备所得的石墨烯气凝胶具有层层的高度取向的多孔结构，层层高度取向的低缺陷的石墨烯片有利于增强其对电磁波的反射，此外，所存在的多孔有利于增强电磁波在材料内部的多次反射损耗，使得本发明的石墨烯材料具有极强的电磁屏蔽性能。

Description

一种石墨烯电磁屏蔽材料的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种石墨烯电磁屏蔽材料的制备方法。
背景技术
随着信息时代的不断发展，人们对智能化、集成化电子设备的需求不断增长，电磁干扰、电磁泄露、电磁污染等问题对于设备及环境的损害是不可忽视的，不仅会使得电子器件性能和使用寿命的下降，而且对于人体健康也存在着一定的影响。传统的电磁屏蔽材料主要为金属材料，如铜、铝、镍等，其电磁屏蔽效能高、机械性能好，但是存在着密度高、易腐蚀等缺点；相比之下，碳材料，如碳黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等，则具有重量轻、耐腐蚀性等优势。作为一种新型碳材料，石墨烯为二维平面结构，具有较大宽厚比、高比表面积、高导电率、高强度、高热导率等一系列特征，表现出良好的屏蔽效果，相关的研究在近十年内呈现出指数增长。
石墨烯气凝胶具有密度小，高柔性，高屏蔽性能等优点，有研究发现，层层的高度取向的多孔结构是气凝胶具有高电磁屏蔽性能的关键因素，即所谓的膨胀增强效应，其厚度越高（即密度越低），取向程度越好则其电磁屏蔽性能越好。目前制备高度取向的多孔石墨烯气凝胶材料主要是采用高温处理膜的方法，利用氧化石墨烯膜在高温下释放气体的方法制备得到多孔的石墨烯膜气凝胶（如专利公开号为CN105731434B），但是由于氧化石墨烯膜在高温处理下释放的气体极为有限，因此对于膜的膨胀效果有限，所得膜气凝胶的密度较高（20mg/cm3），因此其电磁屏蔽性能有限。
现有的发泡手段一般是在材料的溶液或熔体中加入物理或化学发泡剂,从而在成型的过程中产生多孔结构,但是由于此种方法所产生的多孔结构一般为各向同性,因此其电磁屏蔽性能有限,而本方案首次提出利用高度取向的氧化石墨烯膜材料为前驱体通过液体发泡制备高取向的石墨烯多孔气凝胶材料;低缺陷的石墨烯片有利于电磁波的反射,而其多孔结构有助于实现电磁波的多重散射,因此得到了极高性能的电磁屏蔽材料。
发明内容
本发明提供了一种石墨烯电磁屏蔽材料的制备方法，其主要是将大尺寸氧化石墨烯组装得到的膜，利用液体发泡将其转化为三维多孔的气凝胶材料，所得气凝胶的形状及图案可控，易于加工，且由于其高度取向的层层排列的结构，适合用于电磁屏蔽领域，具有优异的屏蔽效果，此外，气凝胶的密度极低，为下一步制备微纳器件的发展的集成提供了可能。
为实现本发明目的，本发明实施例提供了石墨烯电磁屏蔽材料的制备方法，包括下述步骤：
采用尺寸大于20um、碳氧比大于2的氧化石墨烯成膜，随后将其置于发泡剂溶液中浸泡后，用可挥发溶剂置换发泡剂溶液，然后干燥处理以除去可挥发溶剂，得到石墨烯多孔材料，通过高温退火处理降低其缺陷密度，得到石墨烯电磁屏蔽材料；其中所述发泡剂溶液的溶剂为极性溶剂。
进一步地，所述的发泡剂可以为水合肼、硼氢化盐、碳酸氢盐等可产生气体的物质。
进一步地，所述的高温退火处理的温度范围为500-3000℃。
进一步地，所述的石墨烯电磁屏蔽材料的ID/IG为0.01-1。
进一步地，所述的极性溶剂为水、有机溶剂、或水与有机溶剂的混合溶液。
本发明的有益效果在于：
（1）所得气凝胶的结构由致密宏观材料的微观结构所决定，因此气凝胶具有结构可控性。
（2）液体发泡后其片层之间仍存在面接触，因此赋予其优异的物理机械性能。
（3）经过合理的调控宏观材料的形状，可得到不同形状尺寸的气凝胶材料，因此可适用于各个场所。
（4）通过控制宏观材料的的尺寸，可以较易得到较大尺寸的气凝胶材料，有利于实现其产业化制备。
（5）利用液体发泡的方法所制备得到的高度取向的石墨烯气凝胶对于电磁波具有优异的屏蔽效果，其多孔结构有利于电磁波的多次反射损耗。
附图说明
图1为实施例1所采用的致密的宏观氧化石墨烯膜材料及其所得气凝胶材料。
图2为实施例1所得气凝胶的扫描电镜图。
图3为实施例1中实施例1中气凝胶的拉曼谱图。
具体实施方式
本申请主要是利用液体气泡法实现对石墨烯膜进行发泡，这种液体气泡法制备工艺较为简单，使得致密宏观氧化石墨烯材料的片层之间紧密连接，从而得到高度取向的多孔石墨烯气凝胶材料，其膨胀倍数较高，高度方向最高可膨胀600倍，最后所得气凝胶的密度较低，最低可到2mg/cm3，在电磁屏蔽领域具有突破性的进展。
下面结合实施例对本发明进一步描述。但本发明的保护范围不仅限于此。
实施例1
将尺寸分布在20-30um之间，碳氧比为2.5，浓度为5mg/ml的氧化石墨烯的悬浮液（购于杭州高烯科技有限公司）利用刮涂成膜的方法制备得到约20um厚的氧化石墨烯膜材料，将其裁剪成一个圆片，随后将其放置于85%的水合肼溶液中，一小时后便得到了高约为8.1mm的石墨烯气凝胶，用乙醇置换发泡剂溶液，然后60℃干燥处理以除乙醇，经过1600℃高温处理1h后，便得到了密度为3 mg/cm3的石墨烯的气凝胶， ID/IG为0.2，在5mm其电磁屏蔽效能为110dB。
实施例2
将尺寸分布在80-100um之间，碳氧比为2.35，浓度为10mg/ml的氧化石墨烯的悬浮液（购于杭州高烯科技有限公司）利用刮涂成膜的方法制备得到约50um厚的氧化石墨烯膜材料，将其裁剪成一个圆片，将氧化石墨烯膜材料放置于100mg/ml的碳酸氢铵水溶液中，一段时间后便得到了高约为12.6mm的石墨烯气凝胶材料，用异丙醇置换发泡剂溶液，然后60℃干燥处理以除异丙醇，经过1600℃高温处理1h后，便得到了密度为5mg/cm3的石墨烯的气凝胶，ID/IG为0.15，在5mm其电磁屏蔽效能为70dB。
实施例3
将尺寸分布在100-200um之间，碳氧比为2.14，浓度为10mg/ml的氧化石墨烯的悬浮液（购于杭州高烯科技有限公司）利用抽滤的方法制备得到约30um厚的氧化石墨烯膜材料，将其裁剪成一个圆片，将氧化石墨烯膜材料放置于100mg/ml的碳酸氢铵水溶液中，一段时间后便得到了高约为8.5mm的石墨烯气凝胶材料，用异丙醇置换发泡剂溶液，然后60℃干燥处理以除异丙醇，经过1000℃高温处理1h后，便得到了密度为5.3mg/cm3的石墨烯的气凝胶，ID/IG为0.1，在5mm其电磁屏蔽效能为102dB。
对比例1
将尺寸分布在20-30um之间，碳氧比为2.5，浓度为5mg/ml的氧化石墨烯的悬浮液（购于杭州高烯科技有限公司）利用刮涂成膜的方法制备得到约20um厚的氧化石墨烯膜材料，将其裁剪成一个圆片（同实施例1），直接将氧化石墨烯膜材料直接经过1600℃高温处理1h，得到了密度为100mg/cm3的石墨烯的多孔膜材料，ID/IG为0.2，其电磁屏蔽效能仅有20dB。
对比例2
将尺寸分布在80-100um之间，碳氧比为2.35，浓度为10mg/ml的氧化石墨烯的悬浮液（购于杭州高烯科技有限公司）中掺入碳酸氢铵，利用刮涂成膜的方法制备得到约50um厚的氧化石墨烯膜材料，将其裁剪成一个圆片，置于200℃下使得碳酸氢铵分解对石墨烯膜进行发泡。得到的发泡材料具有大量不连续的孔洞。

Claims (2)

1.一种石墨烯电磁屏蔽材料的制备方法，包括下述步骤：采用尺寸大于20um、碳氧比大于2的氧化石墨烯成膜，随后将其置于发泡剂溶液中浸泡后，用可挥发溶剂置换发泡剂溶液，然后干燥处理以除去可挥发溶剂，得到石墨烯多孔材料，通过高温退火处理降低其缺陷密度，使其ID/IG为0.01-1，得到石墨烯电磁屏蔽材料；其中所述发泡剂溶液的溶剂为极性溶剂；所述的发泡剂为水合肼、硼氢化盐或碳酸氢盐；所述的极性溶剂为水、有机溶剂、或水与有机溶剂的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的高温退火处理的温度范围为500-3000℃。
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