CN114408904A - 一种高晶体质量的石墨烯宏观体的3d打印制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高晶体质量的石墨烯宏观体的3D打印制备方法，涉及维纳材料的快速增材制造技术领域，先进行聚合物微孔膜的合成，然后将聚合物微孔膜平铺在衬底上，使用高能束流轰击聚合物微孔膜在衬底上形成石墨烯晶体膜，多次重复平铺聚合物微孔膜和使用高能束流轰击聚合物微孔膜的操作，实现石墨烯宏观体的3D打印制备；本发明提出的3D制备方法可以制备厚度为厘米级的石墨烯宏观体，采用layer‑by‑layer的3D打印法能够实现石墨烯厚度的可控调节，为石墨烯纳米材料的实际大质量或大体积应用场景提供了有效方法。

Description

一种高晶体质量的石墨烯宏观体的3D打印制备方法
技术领域：
本发明涉及维纳材料的快速增材制造技术领域，具体涉及一种高晶体质量的石墨烯宏观体的3D打印制备方法。
背景技术：
石墨烯，一种由sp2杂化的单层碳原子组成的二维材料，自2004年被发现以来，因其优异的物理化学性能，特别是其高电导、热导率、高机械强度，被广泛应用于电化学储能、传感器、热控、催化、微纳电子器件等领域。
石墨烯作为一种二维片状材料，在一些二维平面内的应用使用时，由于石墨烯在二维平面内的性能相对一致性，尚能满足器件的要求。但是，在更多的实际使用场景需要将石墨烯拓展到三维结构，需要将石墨烯与其他材料进行复合以实现多种材料的协同作用，需要在石墨烯材料上进行元素的掺杂，需要在石墨烯片层上进行特定官能团的修饰等，因此实际应用对石墨烯材料的要求体现在不止二维片材的方方面面。但石墨烯片固有的范德华力和π-π相互作用会导致石墨烯片层的堆叠、团聚，最常见的就是导致在溶液合成路线中石墨烯难以分散的问题，这会导致石墨烯性能的急剧衰减。因此，将2D石墨烯进行组装而构建3D结构的石墨烯是解决石墨烯片层堆叠的一种有效方法。
同样重要的是，越来越多的实际应用场景对宏观的(大体积、大质量) 石墨烯材料提出了要求，而不是仅仅局限于微纳尺度的二维石墨烯片，这是因为实际应用时需要将石墨烯优异的物理化学性能扩展到整个宏观的材料上来。如果是简单地将二维石墨烯纳米片进行大质量的使用或者进行大体积叠加，会因为石墨烯片的团聚而导致性能的下降，构建的宏观石墨烯并不能在实际应用时有效地发挥石墨烯本身的优势。因此，在进行宏观石墨烯的组装时，一方面需要考虑石墨烯的质量和体积问题，另一方面也需要关注石墨的分散问题。一种较理想的方法是在增加石墨烯宏观体积或质量的同时进行多孔结构的构建。
石墨烯的制备方法很多，如膨胀石墨的剥离法、化学气相沉积法、氧化石墨烯还原法等，但上述方法基本都涉及到很多繁琐的湿化学反应过程，并且制备成本高、生产速度慢。所以要实现石墨烯材料的大规模经济化应用，急需一种可扩展式的快速、经济的制备方法。
本发明所使用的高能束流诱导聚合物产生石墨烯的方法，通过瞬时的高温高压作用可实现石墨的极快速、经济化生产。3D打印技术，又名增材制造，是一种用于制备3D材料的高效方法。将高能束流和3D打印技术结合，可实现石墨烯宏观材料的大规模快速制备。
然而，传统的石墨烯3D打印技术通常将氧化石墨烯或其与其他添加剂组成的溶液用作打印前驱体，其中为提高墨水黏弹性加入的热塑性聚合物，极大影响了石墨烯的整体导电性。在很多的应用领域都需要高导电性的石墨烯，现有的3D打印制备的石墨烯还不能满足这些应用的要求。另外，如何在进行石墨烯3D打印快速制备的同时控制其孔结构和结晶质量也是一大颇具挑战的难题。
因此，针对以上分析，说明当今石墨烯的3D打印快速制备还不能实现高结晶质量、高导电性的石墨烯材料制备。本发明的一个目的是对现有技术缺陷的改进或提高，或为提供一个有效的替代方法。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种高晶体质量的石墨烯宏观体的3D打印制备方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
本发明提供了一种高晶体质量的石墨烯宏观体的3D打印制备方法，先进行聚合物微孔膜的合成，然后将聚合物微孔膜平铺在衬底上，使用高能束流轰击聚合物微孔膜在衬底上形成石墨烯晶体膜，多次重复平铺聚合物微孔膜和使用高能束流轰击聚合物微孔膜的操作，实现石墨烯宏观体的3D打印制备。
所述聚合物微孔膜为由含碳物质与聚合物制成的微孔膜，或者为仅由聚合物制成的微孔膜。
进一步地，所述含碳物质为木质素、纤维素、活性炭、木炭、生物质碳、石墨中的一种或多种。
进一步地，所述聚合物为聚醚砜、碳链聚合物、芳香族聚合物、芳香族均聚物、芳香族共聚物、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚醚醚酮、聚苯硫醚、酚醛树脂、环氧树脂中的一种或多种。优选地，所述聚合物为聚醚砜。
所述衬底为由热塑性弹性体、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、热塑性聚氨酯、超高分子聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、热塑性聚氯乙烯弹性体、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛树脂中的一种或多种制成的薄膜。优选地，所述衬底为聚苯硫醚薄膜。
所述高能束流为激光束、电子束、离子束中的至少一种。优选地，高能束流为CO2激光。
所述CO2激光的波长为10.6μm、9.3μm，频率为4-10W，脉冲频率为5-20 kHz，激光扫描速度200-400mm/s。优选地，CO2激光的波长为10.6μm，频率为7W，脉冲频率为20kHz，激光扫描速度300mm/s。
所述聚合物微孔膜的厚度为50-300μm，面积为0.01mm2-100m2，孔径为 0.1-20μm。优选地，聚醚砜微孔膜为0.22μm。
所述石墨烯的电导率为1.0×102-1.0×105S/m。
所述石墨烯宏观体的厚度为50μm-10mm，孔径为0.1nm-20μm。
在本发明中，聚合物微孔膜在衬底上的平铺采用真空吸附法，或使用压力轴将拉平状态下的聚合物微孔膜平铺在衬底上。
在本发明中，第一层石墨烯在衬底上的生长是由于聚合物微孔膜的微孔特性，使得一部分高能束流将聚合物全部碳化转化成多孔石墨烯，同时另一部分高能束流能透过聚合物微孔膜使得衬底熔融，最终高能束流轰击完之后，实现石墨烯在衬底上的稳固结合。
在本发明中，高晶体质量的石墨烯是通过多次高能束流轰击的热处理作用实现的，具体来说，前一层已经生成的石墨烯在后一次铺上聚合物微孔膜进行高能束流轰击时受到透过高能束流的热影响实现石墨烯晶体的再结晶生长，从而实现了石墨烯晶体质量的优化，获得了高晶体质量的石墨烯。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出的3D制备方法可以制备厚度为厘米级的石墨烯宏观体，采用layer-by-layer的3D打印法能够实现石墨烯厚度的可控调节，为石墨烯纳米材料的实际大质量或大体积应用场景提供了有效方法。
2、基于高能束流对聚合物微孔膜进行石墨烯化，可实现快速、高质量、低成本、大规模的石墨烯制备；并且在此过程中对石墨烯晶体质量进行调控，制得高晶体质量的石墨烯。
3、本发明制备方法的操作简单，成本低，原料易得，便于推广，可在多种领域中应用。
附图说明：
图1为实施例1中石墨烯宏观体的3D打印制备过程；
图2为实施例1中聚醚砜微孔膜的扫描电镜图；
图3为实施例1中制得的3D多孔石墨烯扫描电镜图；
图4为实施例1中制得的3D多孔石墨烯透射电镜图；
图5为实施例1不同厚度的石墨烯截面扫描电镜图；
图6为实施例1中石墨烯截面的拉曼表征剖谱图；
图7为实施例2不同厚度的石墨烯截面扫描电镜图；
图8为实施例3不同厚度的石墨烯截面扫描电镜图。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
实施例1
步骤a：在烧杯中加入100mL DMF作为溶剂，再加入20g聚醚砜粉末，然后加热至聚合物充分溶胀，最后溶解得到均一的溶液；接着加入5g氯化钠作为致孔剂，搅拌使其均匀分散，接着将少量液体导入固定厚度的模具；样品放进真空干燥箱进行真空干燥，40℃保持30min，表面干燥后转移到烘箱中缓慢加热至180℃，时间保持直至溶剂被完全去除；最后，获得截面厚度约为 120μm，孔径约为0.22μm的聚醚砜微孔膜。
氯化钠是一种常用的致孔剂，此类致孔剂耐高温，不易发生分解产生气体，致孔剂在材料中占有一定的空间，当复合材料成型后通过去离子水抽提可去除致孔剂而形成孔结构。
步骤b：将制备的聚醚砜微孔膜平铺在厚度约为100μm的聚苯硫醚薄膜上，使用10.6μm CO2激光轰击聚醚砜微孔膜，激光功率为7W，脉冲频率为20KHz，激光扫描速度300mm/s。
步骤c：多次重复平铺聚醚砜微孔膜和使用激光轰击聚醚砜微孔膜的操作，实现石墨烯宏观体的3D打印制备。
图2为实施例1制备的聚醚砜微孔膜的扫描电镜图，孔径约为0.22μm，从图中可以看出孔径大小相对一致，微孔在整个膜上的分布相对均匀，表明制备的聚醚砜微孔膜有较好的质量，有利于下一步的激光3D打印生成石墨烯。
图3为实施例1激光瞬时高温诱导聚醚砜微孔膜所生成的石墨烯形貌，从图中可以看出该石墨烯材料为蜂窝多孔的3D结构，其中石墨烯是分级多孔分布的，包含石墨片连接而成的1-10μm的大孔，也包括小于1μm的纳米孔；这种3D多孔结构的石墨烯可以有效克服石墨烯片层的堆叠、团聚问题，有益于石墨烯材料在电化学储能、催化、先进电子器件等方面应用时充分发挥石墨烯本身的优异物理化学性能。另外，3D多孔结构的石墨烯还可以为物质的传输提供高效通道，为材料的复合修饰提供支撑骨架。
图4为实施例1中获得的石墨烯的透射电子显微镜图，可以看出石墨烯为很薄的网络结构，是少数石墨烯片层的堆叠，具有较好的晶体质量。
图5(a)为实施例1中单次聚醚砜微孔膜在激光照射后得到的在衬底上稳固结合的3D多孔石墨烯截面扫描电镜图，可以看出石墨烯的厚度约为150μm；图5(b、c)为实施例1中随着聚醚砜微孔膜继续铺层再用激光扫描后，石墨烯厚度增加，2层的205μm，3层的310μm；可以预见的是，石墨烯的厚度可以随着聚醚砜的铺层实现宏观厚度的制备，达到厘米级是没有问题的。
图6(a)为实施例1中对获得一定厚度的石墨烯截面进行的拉曼表征，在拉曼位移分别为1350cm-1，1580cm-1和2700cm-1分别出现了石墨烯特征的D、 G和2D峰。可以看出，随着距离石墨表层的深度增加，从表层0μm到270μm深度，2D峰逐渐增强；图6(b)也可以看出D峰与G峰的强度比逐渐降低，2D 峰与G峰的强度比逐渐增加，这表明石墨烯的结晶性逐渐提高，石墨烯的质量逐渐增强。这是因为前一层已经生成的石墨烯在后一次铺上聚醚砜微孔膜激光轰击时受到透过激光的热影响而发生的石墨烯晶体的再结晶生长，从而实现了石墨烯晶体质量的优化，获得了高晶体质量的石墨烯。
实施例2
本实施例3D打印所获得的石墨烯制备方法同实施例1，但所使用的聚醚砜微孔膜的孔径为0.45μm。如图7所示，获得的单层石墨烯厚度约为160μm，随着聚醚砜微孔膜继续铺层再用激光扫描后，石墨烯厚度增加，获得2层的230μm 厚度，3层的350μm厚度。
实施例3
本实施例3D打印所获得的石墨烯制备方法同实施例1，但所使用的聚醚砜微孔膜的孔径为0.45μm。如图8所示，获得的单层石墨烯厚度约为185μm，随着聚醚砜微孔膜继续铺层再用激光扫描后，石墨烯厚度增加，获得2层的235μm 厚度，3层的400μm厚度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高晶体质量的石墨烯宏观体的3D打印制备方法，其特征在于：先进行聚合物微孔膜的合成，然后将聚合物微孔膜平铺在衬底上，使用高能束流轰击聚合物微孔膜在衬底上形成石墨烯晶体膜，多次重复平铺聚合物微孔膜和使用高能束流轰击聚合物微孔膜的操作，实现石墨烯宏观体的3D打印制备。
2.根据权利要求1所述的3D打印制备方法，其特征在于：所述聚合物微孔膜为由含碳物质与聚合物制成的微孔膜，或者为仅由聚合物制成的微孔膜。
3.根据权利要求2所述的3D打印制备方法，其特征在于：所述含碳物质为木质素、纤维素、活性炭、木炭、生物质碳、石墨中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的3D打印制备方法，其特征在于：所述聚合物为聚醚砜、碳链聚合物、芳香族聚合物、芳香族均聚物、芳香族共聚物、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚醚醚酮、聚苯硫醚、酚醛树脂、环氧树脂中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的3D打印制备方法，其特征在于：所述衬底为由热塑性弹性体、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、热塑性聚氨酯、超高分子聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、热塑性聚氯乙烯弹性体、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛树脂中的一种或多种制成的薄膜。
6.根据权利要求1所述的3D打印制备方法，其特征在于：所述高能束流为激光束、电子束、离子束中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的3D打印制备方法，其特征在于：所述高能束流为CO2激光，波长为10.6μm、9.3μm，频率为4-10W，脉冲频率为5-20kHz，激光扫描速度200-400mm/s。
8.根据权利要求1所述的3D打印制备方法，其特征在于：所述聚合物微孔膜的厚度为50-300μm，面积为0.01mm2-100m2，孔径为0.1-20μm。
9.根据权利要求1所述的3D打印制备方法，其特征在于：所述石墨烯的电导率为1.0×102-1.0×105S/m。
10.根据权利要求1所述的3D打印制备方法，其特征在于：所述石墨烯宏观体的厚度为50μm-10mm，孔径为0.1nm-20μm。
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