CN111634046A - 碳基薄膜紧实装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种碳基薄膜紧实装置和方法，涉及设备技术领域。本申请的碳基薄膜紧实装置包括挤压组件，挤压组件包括疏水模块、多孔模块和泵模块。使用时，疏水模块的疏水面与漂浮有碳基薄膜的液面相交，疏水面一部分位于液面下，另一部分位于液面上。疏水面能够推动碳基薄膜的边缘，使碳基薄膜的边缘向其中心收缩。多孔模块位于液面下，在疏水模块挤压碳基薄膜的过程中，泵模块通过多孔模块将碳基薄膜下方的液体抽离，液面下方形成环流，对碳基薄膜的收缩产生辅助力，有利于提高碳基薄膜的致密度。通过本申请实施例提供的碳基薄膜紧实装置和方法，能够避免消耗较多的一次性材料，能够低成本地制备具有较好高致密度的碳基薄膜。

Description

碳基薄膜紧实装置和方法

技术领域

本申请涉及设备技术领域，具体而言，涉及一种碳基薄膜紧实装置和方法。

背景技术

石墨烯、碳纳米管、富勒烯等碳基材料具有优异且独特的光学、力学、电学性能，在传感、电池、海水淡化等众多领域有广阔的应用前景。近些年，人们已研究出多种连续大面积、可批量化制备石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜等的方法。碳基薄膜的需要通过紧实，才能获得致密的薄膜，以获得薄膜的导电性能、过滤性能等性能。但当前相关技术中，对碳基薄膜进行紧实的方法比较复杂繁琐，并且消耗较多的材料，成本较大，不适合工业上的批量化生产。

发明内容

本申请的目的包括提供一种碳基薄膜紧实装置和方法，其能够低成本地、有效地对碳基薄膜进行紧实。

本申请的实施例可以这样实现：

第一方面，本申请实施例提供一种碳基薄膜紧实装置，对漂浮在液体表面的碳基薄膜进行紧实，碳基薄膜紧实装置包括挤压组件，挤压组件包括疏水模块、多孔模块以及泵模块；疏水模块具有疏水面，疏水面用于与漂浮有碳基薄膜的液面相交以推动碳基薄膜的边缘；多孔模块连接于疏水模块的下方，泵模块连接于多孔模块，多孔模块具有相对的第一侧和第二侧，多孔模块的孔从第一侧延伸至第二侧，泵模块连接于第二侧，泵模块用于通过多孔模块将液体从碳基薄膜的下方抽离。

在可选的实施方式中，多孔模块的第一侧指向第二侧的方向为抽吸方向，疏水面与抽吸方向相倾斜，沿抽吸方向，疏水面逐渐远离多孔模块。

在可选的实施方式中，疏水模块具有贴合面，疏水模块通过贴合面连接于多孔模块，贴合面与抽吸方向平行，贴合面与疏水面斜交且交线与多孔模块的第一侧相邻。

在可选的实施方式中，疏水面与抽吸方向的夹角为30-120°。

在可选的实施方式中，疏水面上具有微纳凸起，以使疏水面具有莲花效应。

在可选的实施方式中，多孔模块包括层叠设置的多个多孔层，疏水模块连接于处于最外层的其中一个多孔层的外表面，各个多孔层的孔延伸方向一致且垂直于各个多孔层的层叠方向，泵模块通过多个抽吸管分别与各个多孔层连接。

在可选的实施方式中，从靠近疏水模块到远离疏水模块的方向上，各个多孔层的孔径依次减小。

在可选的实施方式中，疏水面的材料为聚四氟乙烯(PTFE)、聚吡咯(PPy)、聚偏氟乙烯(PVDF)以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的一种或多种的组合。

在可选的实施方式中，多孔模块的材料为多孔陶瓷、玻璃砂芯、金属砂芯、泡沫金属以及紧密堆积的玻璃毛细管中的一种或多种的组合。

在可选的实施方式中，还包括导轨，挤压组件的多孔模块滑动连接于导轨，导轨的延伸方向与多孔模块的孔的延伸方向一致。

在可选的实施方式中，碳基薄膜紧实装置包括多个挤压组件，各个挤压组件间隔设置并围成挤压区域，各个挤压组件的多孔模块的第一侧朝向挤压区域内。

在可选的实施方式中，碳基薄膜紧实装置还包括围板，围板包围挤压区域，围板绕周向开设有多个缺口，多个挤压组件一一对应地设置于缺口，并可相对于围板移动以压缩或者扩张挤压区域。

第二方面，本申请实施例提供一种碳基薄膜紧实方法，使用前述实施方式中任一项的碳基薄膜紧实装置对漂浮于液体表面的碳基薄膜进行紧实，包括：

将多孔模块至于液面下，疏水面的一部分浸入液面下，另一部分位于液面上，移动挤压组件，令疏水面挤压碳基薄膜的边缘以使碳基薄膜收缩。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请实施例的碳基薄膜紧实装置包括挤压组件，挤压组件包括疏水模块、多孔模块和泵模块。使用时，疏水模块的疏水面与漂浮有碳基薄膜的液面相交，疏水面一部分位于液面下，另一部分位于液面上。由于疏水面的疏水性质，其能够推动碳基薄膜的边缘，使碳基薄膜的边缘向其中心收缩，而不易与碳基薄膜粘连。多孔模块位于液面下，其一侧朝向碳基薄膜下方的区域，另一部分背离该区域。在疏水模块挤压碳基薄膜的过程中，泵模块通过多孔模块将碳基薄膜下方的液体从多孔模块的第一侧抽吸到第二侧，液面下方形成环流，对碳基薄膜的收缩产生辅助力，有利于提高碳基薄膜的致密度。通过本申请实施例提供的碳基薄膜紧实装置以及方法，能够避免消耗较多的一次性材料，能够低成本地制备具有较好高致密度的碳基薄膜。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一种实施例中碳基薄膜紧实装置的示意图；

图2为本申请一种实施例中碳基薄膜紧实装置在使用时的示意图；

图3为本申请一种实施例中抽吸管与多孔结构的连接示意图；

图4为本申请另一种实施例中碳基薄膜紧实装置的示意图；

图5为本申请再一种实施例中碳基薄膜紧实装置的示意图。

图标：100-碳基薄膜紧实装置；110-疏水模块；111-疏水面；120-多孔模块；121-第一多孔层；122-第二多孔层；123-第三多孔层；124-第四多孔层；125-第五多孔层；130-抽吸管；132-漏斗结构；120a-第一侧；120b-第二侧；140-导轨；150-围板；200-碳基薄膜。

具体实施方式

当前相关技术中，已有多种制备具有一定致密度的碳基薄膜的方法，例如界面法。但该方法需要消耗大量的一次性海绵用于碳基薄膜的紧实，才能获得致密的薄膜，以获得薄膜的导电性能、过滤性能等性能。而较多地使用一次性消耗品会导致成本较高，产生的废料也较多，不适合工业上的批量化生产。

基于此，本申请旨在提供一种碳基薄膜紧实装置和碳基薄膜紧实方法，用于替代采用一次性材料对碳基薄膜进行紧实，从而降低生产成本，推进碳基薄膜工业化生产。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

图1为本申请一种实施例中碳基薄膜紧实装置100的示意图；图2为本申请一种实施例中碳基薄膜紧实装置100在使用时的示意图。请参考图1和图2，本申请实施例提供的碳基薄膜紧实装置100用于对漂浮在液体表面的碳基薄膜200进行紧实，其包括至少一个挤压组件，挤压组件包括疏水模块110、多孔模块120以及泵模块。疏水模块110具有疏水面111，疏水面111用于与漂浮有碳基薄膜200的液面相交以推动碳基薄膜200的边缘向碳基薄膜200的中部收缩。多孔模块120连接于疏水模块110的下方，泵模块连接于多孔模块120，多孔模块120具有相对的第一侧120a和第二侧120b。多孔模块120的孔从第一侧120a延伸至第二侧120b，泵模块连接于第二侧120b，泵模块用于通过多孔模块120将液体从碳基薄膜200的下方抽离。

如图1和图2所示，在使用时，逐渐移动挤压组件，由于疏水模块110对液体有排斥力，使得疏水模块110的疏水面111挤压碳基薄膜200的边缘而令碳基薄膜200收缩。同时，通过在漂浮有碳基薄膜200的液面下方进行抽吸，可以使得碳基薄膜200下方形成环流，该环流对疏水模块110推动、挤压碳基薄膜200起到辅助作用，有利于碳基薄膜200紧实。当然，碳基薄膜200的另一侧(或多侧)应有相应的物件对碳基薄膜200进行阻挡。

如图1所示，在本实施例中，为了方便挤压组件的移动，碳基薄膜紧实装置100还包括导轨140，多孔模块120滑动连接于导轨140上，导轨140的延伸方向与多孔模块120内的孔的延伸方向一直，也与挤压组件挤压碳基薄膜200的方向一致。

在本实施例中，多孔模块120的第一侧120a指向第二侧120b的方向为抽吸方向，疏水面111与抽吸方向相倾斜，沿抽吸方向，疏水面111逐渐远离多孔模块120。换言之，疏水面111靠近第一侧120a的一侧下沉，用于浸没在液面下，靠近第二侧120b的一侧较高，使用时露出于液面上方。

在本实施例中，疏水模块110具有贴合面，也即图1中的疏水模块110的下表面。疏水模块110通过贴合面连接于多孔模块120，贴合面与抽吸方向平行，贴合面与疏水面111斜交且交线与多孔模块120的第一侧120a相邻。如图1和2所示，疏水模块110的截面呈三角形，可选为直角三角形，其斜边为疏水面111。应当理解，疏水面111用于推动碳基薄膜200的边缘，其与液面相交即可，既可以倾斜朝上，也可以倾斜朝下。可选的，疏水面111与抽吸方向的夹角为30°-120°(锐角则为倾斜向上，钝角则为倾斜朝下)。在使用时，抽吸方向往往保持水平，疏水面111即与液面相交。在图1、图2实施例中，疏水面111倾斜朝上，约30°-40°；当然，在可选的其他实施例中，疏水面111也可以倾斜朝下或者呈竖直状态。

可选的，疏水面111的材料为聚四氟乙烯(PTFE)、聚吡咯(PPy)、聚偏氟乙烯(PVDF)以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的一种或多种的组合。进一步的，疏水面111上可设置微纳凸起，以使疏水面111具有莲花效应，增强其疏水性。

在本申请可选的实施例中，多孔模块120包括层叠设置的多个多孔层，疏水模块110连接于处于最外层的其中一个多孔层(使用时的最上层)的外表面，各个多孔层的孔延伸方向一致且垂直于各个多孔层的层叠方向，泵模块(图中未示出)通过多个抽吸管130分别与各个多孔层连接。通过多孔模块120来抽吸碳基薄膜200下方的液体，可以使得第一侧120a的抽吸面较大，而且液流比较均匀。如图1实施例所示，多孔模块120包括从上至下依次层叠设置的第一多孔层121、第二多孔层122、第三多孔层123以及第四多孔层124。可选的，从靠近疏水模块110到远离疏水模块110的方向上，各个多孔层的孔径依次减小。

多孔模块120的材料可以为具体的，第一多孔层121为多孔陶瓷、玻璃砂芯、金属砂芯、泡沫金属以及紧密堆积的玻璃毛细管中的一种或多种的组合。具体在图1、图2的实施例中，第一多孔层121为规整排列的毛细玻璃管，孔径100μm，层厚3mm；第二多孔层122为Al₂O₃陶瓷片，孔径50μm，层厚2mm；第三多孔层123为玻璃砂芯，孔径10μm，层厚2mm；第四多孔层124为镍泡沫，孔径200-500nm，层厚3mm。当然，具体的孔径、层厚等参数可以根据需要就进行选择。

泵模块用于提供抽吸力，如图1和图2所示，在本实施例中，采用多个抽吸管130分别连接各个多孔层，使得每个多孔层可以具有不同的抽吸力，来控制每个层的抽吸流量。在图1和图2实施例中，多孔层从上到下，流量可以依次设置为1mL/s、3mL/s、5mL/s和10mL/s，这样能够容易形成有利于紧实碳基薄膜200的环流(如图2中液体中的箭头所示)。由于多孔模块120的各个多孔层具有一定的宽度和厚度，因此多孔结构的第二侧120b可以通过多个漏斗结构132来分别连接每一个多孔层及其对应的抽吸管130。图3为本申请一种实施例中抽吸管130与多孔结构的连接示意图。如图3所示，漏斗结构132具有大口端和小口端，大口端罩住多孔层的出口端(即位于多孔结构的第二侧120b的一端)，小口端与抽吸管130连接，抽吸管130再与泵模块连接。泵模块可以是蠕动泵。

多孔模块120的多孔层的层数可以根据需要进行选择。图4为本申请另一种实施例中碳基薄膜紧实装置100的示意图。如图4所示，本实施例中多孔模块120的共有五层多孔层。从上到下，第一多孔层121、第二多孔层122、第三多孔层123以及第四多孔层124均为规整排列的毛细玻璃管，内径从上到下可选为200μm(层厚3mm)、100μm(层厚2mm)、50μm(层厚2mm)、10μm(层厚2mm)，第五多孔层125为泡沫铜(孔径200-300nm，厚度3mm)，使用方法、原理以及与泵模块的连接方式均可参考图1至图3实施例，可选的，在使用时，可以将第一多孔层121至第五多孔层125的抽吸流量分别控制为1mL/s、2mL/s、4mL/s、5mL/s和6mL/s。

图5为本申请再一种实施例中碳基薄膜紧实装置100的示意图。如图5所示，碳基薄膜紧实装置100包括多个挤压组件，各个挤压组件间隔设置并围成挤压区域，各个挤压组件的多孔模块120的第一侧120a朝向挤压区域内。这样可以从多个方向共同挤压碳基薄膜200，成型效率高。

如图5所示，可选的，碳基薄膜紧实装置100还包括围板150，围板150包围挤压区域，围板150绕周向开设有多个缺口，多个挤压组件一一对应地设置于缺口，并可相对于围板150移动以压缩或者扩张挤压区域。在图5实施例中，碳基薄膜紧实装置100包括了4个挤压组件和4个对应的导轨140。应当理解，挤压组件的个数可以根据需要进行调整。围板150所限定出的区域用于盛放液体，该液体用于漂浮碳基薄膜200，为了不使液体外泄，围板150的高度应该高于疏水面111的下边缘。以图5所示的碳基薄膜紧实装置100为例，使用时，液位应当保持在疏水面111的下边缘以上，且位于疏水面111与围板150内壁面的相交处以下，才能防止液体泄漏。

当然，在本申请可选的其他实施例中，围板150也可以不设置缺口，而是形成完整的闭环，挤压组件、导轨140均设置于围板150所围成的区域内，同样可以对碳基薄膜200进行紧实。

本申请实施例还提供一种碳基薄膜紧实方法，其包括采用本申请上述实施例提供的碳基薄膜紧实装置100对碳基薄膜200进行紧实，包括：将多孔模块120至于液面下，疏水面111的一部分浸入液面下，另一部分位于液面上，移动挤压组件，令疏水面111挤压碳基薄膜200的边缘以使碳基薄膜200收缩。以本申请实施例提供的碳基薄膜紧实装置100为例，具体的，在使用时将挤压组件置于液体中，疏水面111的一部分浸入液面下，一部分位于液面上。将碳基薄膜200材料铺在疏水面111所朝的一侧，也即多孔模块120的第一侧120a所朝的一侧。然后推动挤压装置向碳基薄膜200的中部所在方向移动，从而挤压碳基薄膜200的边缘使其收缩，同时利用泵模块抽吸碳基薄膜200下方的液体。在图5实施例中，多个挤压模块同时挤压。最终碳基薄膜200不再收缩，即完成碳基薄膜200的紧实，得到致密的碳基薄膜200。在泵模块抽吸时，各个多孔层的流量可从上至下依次增加，流量范围为0-5.0L/s，优选为0.1-500mL/s，挤压组件的步进速度范围在0-100cm/s，优选为0.1-10cm/s。

本申请实施例提供的碳基薄膜紧实装置100以及碳基薄膜紧实方法所针对的碳基薄膜200包括但不限于：石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、富勒烯薄膜等。

综上，本申请实施例提供了一种碳基薄膜紧实装置和方法，碳基薄膜紧实装置包括挤压组件，挤压组件包括疏水模块、多孔模块和泵模块。使用时，疏水模块的疏水面与漂浮有碳基薄膜的液面相交，疏水面一部分位于液面下，另一部分位于液面上。由于疏水面的疏水性质，其能够推动碳基薄膜的边缘，使碳基薄膜的边缘向其中心收缩，而不易与碳基薄膜粘连。多孔模块位于液面下，其一侧朝向碳基薄膜下方的区域，另一部分背离该区域。在疏水模块挤压碳基薄膜的过程中，泵模块通过多孔模块将碳基薄膜下方的液体从多孔模块的第一侧抽吸到第二侧，液面下方形成环流，对碳基薄膜的收缩产生辅助力，有利于提高碳基薄膜的致密度。通过本申请实施例提供的碳基薄膜紧实装置以及方法，能够避免消耗较多的一次性材料，能够低成本地制备具有较好高致密度的碳基薄膜。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种碳基薄膜紧实装置，对漂浮在液体表面的碳基薄膜进行紧实，其特征在于，所述碳基薄膜紧实装置包括挤压组件，所述挤压组件包括疏水模块、多孔模块以及泵模块；所述疏水模块具有疏水面，所述疏水面用于与漂浮有所述碳基薄膜的液面相交以推动所述碳基薄膜的边缘；所述多孔模块连接于所述疏水模块的下方，所述泵模块连接于所述多孔模块，所述多孔模块具有相对的第一侧和第二侧，所述多孔模块的孔从所述第一侧延伸至所述第二侧，所述泵模块连接于所述第二侧，所述泵模块用于通过所述多孔模块将液体从所述碳基薄膜的下方抽离。

2.根据权利要求1所述的碳基薄膜紧实装置，其特征在于，所述多孔模块的所述第一侧指向所述第二侧的方向为抽吸方向，所述疏水面与所述抽吸方向相倾斜，沿所述抽吸方向，所述疏水面逐渐远离所述多孔模块。

3.根据权利要求2所述的碳基薄膜紧实装置，其特征在于，所述疏水模块具有贴合面，所述疏水模块通过所述贴合面连接于所述多孔模块，所述贴合面与所述抽吸方向平行，所述贴合面与所述疏水面斜交且交线与所述多孔模块的第一侧相邻。

4.根据权利要求2所述的碳基薄膜紧实装置，其特征在于，所述疏水面与所述抽吸方向的夹角为30-120°。

5.根据权利要求1所述的碳基薄膜紧实装置，其特征在于，所述疏水面上具有微纳凸起，以使所述疏水面具有莲花效应。

6.根据权利要求1所述的碳基薄膜紧实装置，其特征在于，多孔模块包括层叠设置的多个多孔层，所述疏水模块连接于处于最外层的其中一个所述多孔层的外表面，各个所述多孔层的孔延伸方向一致且垂直于各个所述多孔层的层叠方向，所述泵模块通过多个抽吸管分别与各个所述多孔层连接。

7.根据权利要求6所述的碳基薄膜紧实装置，其特征在于，从靠近所述疏水模块到远离所述疏水模块的方向上，各个所述多孔层的孔径依次减小。

8.根据权利要求1所述的碳基薄膜紧实装置，其特征在于，所述疏水面的材料为聚四氟乙烯(PTFE)、聚吡咯(PPy)、聚偏氟乙烯(PVDF)以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的一种或多种的组合。

9.根据权利要求1所述的碳基薄膜紧实装置，其特征在于，所述多孔模块的材料为多孔陶瓷、玻璃砂芯、金属砂芯、泡沫金属以及紧密堆积的玻璃毛细管中的一种或多种的组合。

10.一种碳基薄膜紧实方法，其特征在于，使用权利要求1-9中任一项所述的碳基薄膜紧实装置对漂浮于液体表面的碳基薄膜进行紧实，包括：

将所述多孔模块至于液面下，所述疏水面的一部分浸入所述液面下，另一部分位于所述液面上，移动所述挤压组件，令所述疏水面挤压所述碳基薄膜的边缘以使所述碳基薄膜收缩。

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