CN114291813A - 一种独立自支撑超薄石墨膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种独立自支撑超薄石墨膜的制备方法。用氧化石墨烯在高温下诱导油溶性木质素形成石墨结构,或用还原氧化石墨烯在高温下诱导水溶性木质素形成石墨结构,以得到石墨膜。本发明采用普通涂膜技术,利用亲水基底,将氧化石墨烯与木质素均匀复合,在基底上刮涂,构建超薄石墨烯复合膜,待膜干后,利用一定的化学物理手段,使得其中一种物质遇水不溶胀,另外一种遇水溶胀。利用氧化石墨烯(水溶性木质素)在水中的溶胀效应,借助水表面张力和渗透力剪切作用,结合不溶胀材料的物理交联作用,将超薄复合膜剥离到水面上,再将膜转移到易挥发溶剂体系,最后借助粗糙多孔板捞取,烘干后就可以得到单独的薄膜。该种技术解决了超薄石墨膜一直存在难以独立自支撑的问题。
Description
技术领域
本发明属于制备石墨膜技术,尤其涉及一种独立自支撑超薄石墨膜的技术。
背景技术
木质素是一种广泛存在于植物体中的无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物。木质素是植物界中仅次于纤维素的第二大可再生的天然高分子,绿色环保成本低,碳含量非常高,与石墨烯有着非常相似的化学结构。木质素分子结构里缺少五六元环稳定结构,高温烧结后分子结构难以修复,无法形成石墨膜所需要的石墨化六元环结构,不能很好的转变为石墨膜。
常用旋涂法、刮膜法、喷涂法制备聚合物复合膜,但对于超薄石墨膜,旋涂和喷涂很难将膜做到均匀。刮膜法结合Mayer棒和刮刀设备,在调节合适的溶液浓度下,可以轻松实现50nm-100μm膜厚度跨越,且生产方式简单,生产效率高。为了进一步提高聚合物复合膜的导电导热性能,需要将复合物进行高温石墨化处理,进一步修补石墨缺陷完善结构,而高温处理需要石墨膜与膜基底脱离。但是聚合物超薄膜因为自身固有的一些原因,得不到独立自支撑的超薄膜。比如木质素,木质素与基底界面结合能大,同时木质素非常脆,导致薄膜不能完整地从基底剥离,无法做到独立自支撑。
发明内容
本发明以木质素为原料来制备独立自支撑超薄石墨膜,具体的,该方法为:用氧化石墨烯在高温下诱导油溶性木质素形成石墨结构,或用还原氧化石墨烯在高温下诱导水溶性木质素形成石墨结构,以得到石墨膜。其中,石墨烯作为二维大分子,石墨烯与木质素复合后,石墨烯片层可以为木质素分子链提供模板诱导效应,帮助木质素晶体取向生长,同时提供碳源,辅助木质素形成完整六元环石墨结构,最后一起形成高度石墨化的石墨膜。
为了解决碳化后的剥离问题,本发明创造性的运用了溶剂表面张力和水剪切作用的优势,氧化石墨烯或者水溶性木质素浸泡在水溶剂中,会发生溶胀效应,而还原氧化石墨烯或者油溶性木质素的物理交联作用可以防止过度溶胀,维持膜的完整性。氧化石墨烯、水溶性木质素与水的氢键作用比复合膜与基底的界面结合能更强,从而减小基底和膜的界面能,促进膜局部脱离基底。
具体包括如下步骤:
(a1)将油溶性木质素与氧化石墨烯均匀分散在溶剂中,在基底上均匀涂敷成超薄复合膜并干燥,所述基底的亲水角Θ在65°-90°以上;如图1所示,表面张力在亲水角的的影响下,真正起剥离作用的是垂直板面的力,大小为σsinΘ,所以Θ在65°-90°范围才能保证剥离力有效果。
(a2)将基底以一定倾斜角度插入到水中,超薄复合膜从基底剥离;一定的倾斜角度有利于水的剪切渗透。
(a3)用易挥发溶剂置换水;易挥发溶剂表面张力小于水,能让膜在粗糙表面干燥时受到更小溶剂作用力,不易粘接在多孔粗糙板上。
(a4)借助粗糙多孔基底捞取步骤(a3)中超薄复合膜,烘干后薄膜自动脱离,得到独立支撑的超薄石墨烯复合膜;其中粗糙多孔基底因为表面粗糙多孔,与膜的接触面少,减少膜易粘接在表面的可能。
(a5)将步骤(a4)得到的超薄膜2800℃烧结,修复缺陷,最终得到高结晶超薄石墨膜。
或者
(b1)氧化石墨烯与水溶性木质素均匀分散在溶剂中在基底上均匀涂敷成超薄复合膜并干燥,所述基底的亲水角在65°-90°;如图1所示,表面张力在亲水角的的影响下,真正起剥离作用的是垂直板面的力,大小为σsinΘ,所以Θ在65°-90°范围才能保证剥离力有效果。
(b2)在化学蒸汽中还原;
(b3)将基底以一定倾斜角度插入到水中,超薄复合膜从基底剥离;一定的倾斜角度有利于水的剪切渗透。
(b4)用易挥发溶剂置换水;易挥发溶剂表面张力小于水,能让膜在粗糙表面干燥时受到更小溶剂作用力,不易粘接在多孔粗糙板上。
(b5)借助粗糙多孔基底捞取步骤(b4)中超薄复合膜,烘干后薄膜自动脱离,得到独立支撑的超薄石墨烯复合膜;其中粗糙多孔基底因为表面粗糙多孔,与膜的接触面少,减少膜易粘接在表面的可能。
(b6)将步骤(b5)得到的超薄膜2800℃烧结,修复缺陷,最终得到高结晶超薄石墨膜。
进一步地,所述水溶性木质素包括木质素磺酸盐和碱木质素,油溶性木质素包括高分子木质素。
进一步地,所述步骤(a1)中的溶剂为四氢呋喃,所述步骤(b1)中的溶剂为去离子水。
进一步地,所述步骤(a1)和步骤(b1)中,石墨烯或氧化石墨烯与木质素的质量比为3:7~5:5。
进一步地,所述亲水角在65°-90°的基底包括硅片和石英片。
进一步地,所述易挥发溶剂包括异丙醇、乙醇、乙酸乙酯等,置换方法为硬底板捞取置换或置换溶剂。
进一步地,所述粗糙多孔基底板上通孔直径为0.5mm,通孔数量大于50,板面粗糙度大于10μm。
进一步地,涂敷最终厚度为50nm-500nm的膜用Mayer棒刮涂,最终厚度为500nm-1μm的膜可用刮刀或Mayer棒刮涂。
进一步地,所述插入角度在0~90°之间(不包含端点)。
该超薄石墨膜制备方案的优势在于:该种方法不需要对膜和基底有破坏就可以轻松分离膜与基底,轻松做到膜的独立自支撑,可以保证膜的完整性,有利于大规模生产。同时也可以做到基底的多次运用,木质素与石墨烯复合,也大大的降低了制膜成本,后续的溶剂转移与多孔粗糙板捞取过程也易于操作,有利于工业化的大规模生产。
附图说明
图1为剥膜过程的力学分析;
图2为RGO和木质素溶胀前后的XRD;
图3为℃处理后可以独立自支撑的石墨膜;
图4为100nm石墨烯纳米膜高温处理2800℃后的拉曼图片;
图5a为200nm石墨烯纳米膜2800℃处理前SEM图片,图5b为200nm石墨烯纳米膜2800℃处理后SEM图片;
图6a为石墨烯纳米膜2800℃处理后TEM晶格条纹图,图6b为石墨烯纳米膜2800℃处理后TEM晶格衍射图片。
具体实施方式
本发明公开了一种独立自支撑超薄石墨膜的制备方法。用石墨烯对木质素的诱导石墨化效应,高温烧结得到石墨膜。整个制备过程中采用了普通涂膜技术,利用亲水基底,将氧化石墨烯与木质素均匀复合,在基底上刮涂,构建超薄石墨烯复合膜,待膜干后,利用一定的化学物理手段,使得其中一种物质遇水不溶胀,另外一种遇水溶胀。
利用氧化石墨烯(水溶性木质素)在水中的溶胀效应,借助水表面张力和渗透力剪切作用,结合不溶胀材料的物理交联作用,将超薄复合膜剥离到水面上,再将膜转移到易挥发溶剂体系,最后借助粗糙多孔板捞取,烘干后就可以得到单独的薄膜。该种方法不需要对膜和基底有破坏就可以轻松分离膜与基底,轻松做到膜的独立自支撑。木质素与石墨烯复合,也大大的降低了制膜成本。
下面结合实施例对本发明作进一步说明:
实施例1:溶胀过程表征
1.1无法剥离的膜体系
(1)将混合液固含量为1.01%氧化石墨烯水分散液通过Mayer棒刮涂,在硅片上刮涂一层20μm的膜。在烘箱中烘干后厚度为200nm左右。将膜以20°角度插入去离子水中,无法剥离。
(2)将混合液固含量为1.23%氧化石墨烯水分散液通过Mayer棒刮涂,在硅片上刮涂一层20μm的膜。在烘箱中烘干后厚度为200nm左右。将烘干后的膜放在干燥皿内,HI酸90℃还原12小时。将还原后的膜以20°角度插入去离子水中,无法剥离。
1.2可以剥离的膜体系
将氧化石墨烯与碱木质素在水中均匀分散,其中氧化石墨烯与碱木质素质量比为5:5;混合液固含量为1.2%。通过Mayer棒刮涂,在硅片上刮涂一层20μm的膜。在烘箱中烘干后厚度为200nm左右。将烘干后的膜放在干燥皿内,HI酸90℃还原12小时。将还原后的膜以20°角度插入去离子水中,可以剥离。
用XRD表征这个剥离前后膜变化,如图2所示,案例1,1中的RGO在插入水前后(溶胀前后),2θ角都在24°附近,只有非常细小的偏移,层间距变化可以勿略不计。但案例1,2中的RGO和碱木质素复合体系,插入水前后,2θ角由28.1°缩小为23.34°,代表层间距由0.3184nm变为了0.3705nm,代表层间距明显增大,表明在插入过程中进入了水分子,发生了溶胀。
实施例1:可以剥离的膜体系
(1)将氧化石墨烯与高分子木质素在四氢呋喃中均匀分散,其中氧化石墨烯与可木质素质量比为5:5;混合液固含量为0.98%。
(2)将氧化石墨烯与木质素通过Mayer棒刮涂的方式,在硅片(亲水角68°)上刮涂一层20μm的膜。在烘箱中烘干后厚度为200nm左右。将基底20°角度插入到水中,剥离。然后用滴管吸走大部分水溶剂,在缓慢导入异丙醇溶剂以置换水分,然后用通孔直径为0.5mm,通孔数量大于50,板面粗糙度大于10μm的多孔粗糙石墨板捞取,烘干后得到单独的膜。
(3)将该纳米复合膜进行高温2800℃处理后获得100nm石墨烯纳米膜。
表征得到的石墨烯复合纳米膜。如图3所示,该膜可以独立自支撑。拉曼数据显示,如图4所示,膜的D峰(~1351cm-1)基本已经消除,只留下了尖锐的G峰(~1580cm-1),同时在2D峰(~2690cm-1)有着很高的强度和峰宽,说明了材料具有很好的AB堆叠。电镜图显示,如图5,高温烧结以前,石墨烯纳米膜厚度为213nm,烧结后,石墨烯纳米膜厚度为105nm。TEM的数据也表明,如图6所示,石墨烯纳米膜具有有序的晶体结构,石墨烯层间距为0.335nm。石墨化程度高,可以看到清楚的六面体晶格衍射结构。在该种条件下,石墨烯纳米膜电导率为1.58M S m-1。
实施例2:可以剥离的膜体系
(1)将氧化石墨烯与高分子木质素在四氢呋喃中均匀分散,其中氧化石墨烯与木质素质量比为4:6;混合液固含量为1.01%。
(2)将氧化石墨烯与木质素通过Mayer棒刮涂的方式,在聚乙烯板(亲水角88°)上刮涂一层60μm的膜。在烘箱中烘干后厚度为600nm左右。将基底40°角度插入到水中,剥离。然后用滴管吸走大部分水溶剂,在缓慢导入乙醇溶剂以置换水分,然后用通孔直径为0.5mm,通孔数量大于50,板面粗糙度大于10μm的多孔粗糙PET板捞取,烘干后得到单独的膜。
(3)将该纳米复合膜进行高温2800℃处理后获得300nm石墨烯纳米膜。
该种条件下,石墨烯纳米膜电导率为1.17M S m-1。
实施例3:可以剥离的膜体系
(1)将氧化石墨烯与高分子木质素在四氢呋喃中均匀分散,其中氧化石墨烯与木质素质量比为3:7;混合液固含量为1.03%。
(2)将氧化石墨烯与木质素混合物通过刮刀刮涂的方式,在硅片(亲水角68°)上刮涂一层100μm的膜。在烘箱中烘干后厚度为1μm左右。将基底60°角度插入到水中,剥离。然后用滴管吸走大部分水溶剂,在缓慢导入乙酸乙酯溶剂以置换水分,然后用通孔直径为0.5mm,通孔数量大于50,板面粗糙度大于10μm的多孔粗糙板捞取,烘干后得到单独的膜。
(3)将该纳米复合膜进行高温2800℃处理后获得500nm石墨烯膜。
该种条件下,石墨烯膜电导率为0.93M S m-1。
实施例4:可以剥离的膜体系
(1)将氧化石墨烯与木质素磺酸盐在水中均匀分散,其中氧化石墨烯与木质素磺酸盐质量比为5:5;混合液固含量为1.02%。
(2)将氧化石墨烯与木质素磺酸盐混合物通过刮刀刮涂的方式,在聚乙烯板(亲水角88°)上刮涂一层200μm的膜。在烘箱中烘干后厚度为2μm左右。将烘干后的膜化学蒸汽中还原,HI酸90℃下还原12小时。
(3)将基底80°角度插入到水中,剥离膜。然后用滴管吸走大部分水溶剂,在缓慢导入异丙醇溶剂以置换水分,然后用通孔直径为0.5mm,通孔数量大于50,板面粗糙度大于10μm的多孔粗糙PET板捞取,烘干后得到单独的膜。
(4)将该纳米复合膜进行高温2800℃处理后获得1μm石墨烯膜。
该种条件下,石墨烯膜电导率为0.52M S m-1。
实施例5:可以剥离的膜体系
(1)将氧化石墨烯与碱木质素在水中均匀分散,其中氧化石墨烯与碱木质素质量比为4:6;混合液固含量为1%。
(2)将氧化石墨烯与碱木质素混合物通过Mayer棒刮涂的方式,在硅片(亲水角68°)上刮涂一层60μm的膜。在烘箱中烘干后厚度为600nm左右。将烘干后的膜化学蒸汽中还原,HI酸90℃下还原12小时。
(3)将基底80°角度插入到水中,剥离膜。然后用滴管吸走大部分水溶剂,在缓慢导入异丙醇溶剂以置换水分,然后用通孔直径为0.5mm,通孔数量大于50,板面粗糙度大于10μm的多孔粗糙PET板捞取,烘干后得到单独的膜。
(4)将该纳米复合膜进行高温2800℃处理后获得300nm石墨烯膜。
该种条件下,石墨烯膜电导率为1.16M S m-1。
实施例6:可以剥离的膜体系
(1)将氧化石墨烯与碱木质素在水中均匀分散,其中氧化石墨烯与碱木质素质量比为3:7;混合液固含量为0.99%。
(2)将氧化石墨烯与碱木质素混合物通过Mayer棒刮涂的方式,在硅片(亲水角68°)上刮涂一层40μm的膜。在烘箱中烘干后厚度为400nm左右。将烘干后的膜化学蒸汽中还原,HI酸90℃下还原12小时。
(3)将基底50°角度插入到水中,剥离膜。然后用滴管吸走大部分水溶剂,在缓慢导入异丙醇溶剂以置换水分,然后用通孔直径为0.5mm,通孔数量大于50,板面粗糙度大于10μm的多孔粗糙石墨板捞取,烘干后得到单独的膜。
(4)将该纳米复合膜进行高温2800℃处理后获得200nm石墨烯膜。
该种条件下,石墨烯膜电导率为1.32M S m-1。
Claims (9)
1.一种独立自支撑超薄石墨膜的制备方法,其特征在于,该方法为:用氧化石墨烯在高温下诱导油溶性木质素形成石墨结构,或用还原氧化石墨烯在高温下诱导水溶性木质素形成石墨结构,以得到石墨膜,具体包括如下步骤:
(a1)将油溶性木质素与氧化石墨烯均匀分散在溶剂中,在基底上均匀涂敷成超薄复合膜并干燥,所述基底的亲水角Θ在65°-90°以上;
(a2)将基底以一定角度插入到水中,超薄复合膜从基底剥离;
(a3)用易挥发溶剂置换水;
(a4)借助粗糙多孔基底捞取步骤(a3)中超薄复合膜,烘干后薄膜自动脱离,得到独立支撑的超薄石墨烯复合膜;
(a5)将步骤(a4)得到的超薄膜2800℃烧结,修复缺陷,最终得到高结晶超薄石墨膜。
或者,
(b1)氧化石墨烯与水溶性木质素均匀分散在溶剂中在基底上均匀涂敷成超薄复合膜并干燥,所述基底的亲水角Θ在65°-90°以上;
(b2)在化学蒸汽中还原;
(b3)将基底以一定角度插入到水中,超薄复合膜从基底剥离;
(b4)用易挥发溶剂置换水;
(b5)借助粗糙多孔基底捞取步骤(b4)中超薄复合膜,烘干后薄膜自动脱离,得到独立支撑的超薄石墨烯复合膜;
(b6)将步骤(b5)得到的超薄膜2800℃烧结,修复缺陷,最终得到高结晶超薄石墨膜。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述水溶性木质素包括木质素磺酸盐和碱木质素,油溶性木质素包括高分子木质素。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(a1)中的溶剂为四氢呋喃,所述步骤(b1)中的溶剂为去离子水。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(a1)和步骤(b1)中,石墨烯或氧化石墨烯与木质素的质量比为3:7~5:5。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述亲水角在65°-90°的基底包括硅片和石英片。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述易挥发溶剂包括异丙醇、乙醇、乙酸乙酯等,置换方法为硬底板捞取置换或置换溶剂。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述粗糙多孔基底板上通孔直径为0.5mm,通孔数量大于50,板面粗糙度大于10μm。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,涂敷最终厚度为50nm-500nm的膜用Mayer棒刮涂,最终厚度为500nm-1μm的膜可用刮刀或Mayer棒刮涂。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述插入角度在0~90°之间。
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