CN115231566A - 采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法 - Google Patents

采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，所述宏观石墨烯组装膜由经过伽马射线辐照后的石墨烯浆料通过组装而成，所述方法包括以下步骤：S1：将石墨烯浆料分散在溶剂中，搅拌持续一段时间，得到均匀分散的石墨烯分散液；S2：将石墨烯分散液置于伽马射线下辐照一段时间，使其结构发生改性；S3：将辐照后的石墨烯分散液组装成膜，干燥，最终得到宏观石墨烯组装膜。本发明中，由该方法处理后的宏观石墨烯组装膜的拉伸强度和杨氏模量均得到明显提升，高效环保，简单可控，容易实现大规模制备，为制备高力学性能的宏观石墨烯组装膜提供新的思路，在电磁防护、航空航天等方面具有广阔的应用前景。

Description

采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法
技术领域
本发明涉及新型材料制备技术领域，尤其涉及采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法。
背景技术
自2004年石墨烯被发现以来，石墨烯材料便成为研究者们广泛关注的重点。单层石墨烯厚度为0.335nm，具有优异的力学性能。美国哥伦比亚大学Lee等人将单层石墨烯悬浮在硅基底上，然后采用原子力显微镜对单层石墨烯进行纳米压痕测定，获得单层石墨烯的力学性能测试结果。测试结果显示，单层石墨烯的最大拉伸应变超过20％，杨氏模量值为1000±100GPa。中国中央财经大学Liu等人根据密度泛函理论，对单层石墨烯的应力-应变曲线进行理论模拟，理论估算杨氏模量值为1050GPa，因此该模拟结果与实验结果具有一致性，也接近大块石墨的杨氏模量测定值。英国曼彻斯特大学Cooper等人研究发现，单层石墨烯杨氏模量高达1200±100GPa，这与单层石墨烯直接测量值1000±100GPa和理论计算值1050GPa均保持一致。此外，中国中央财经大学Liu等人还预测单层石墨烯的拉伸强度在107-121GPa之间，这与实验测得的数值130±10GPa相吻合，此结果为杨氏模量E的1/8量级，达到无缺陷材料强度的理论预测值。
单层石墨烯展现出如此优异的抗拉强度和杨氏模量等力学性能，同时也具有高于金属的理论电导率(高达108Sm-1)，这使其在金属替代领域具有广阔的应用前景。然而，微观的单层石墨烯难以直接应用，而在微观的单层石墨烯组装形成宏观膜的过程中，由于晶界、孔洞、无序堆垛结构等缺陷的存在，石墨烯组装膜的电导率和力学性能大幅度降低。
近年来，研究者采用珍珠层结构构筑、微观孔隙填充、石墨烯片层取向调控等不同策略尝试提高石墨烯组装膜的力学性能。然而，这些方法存在涉及危险化学品、需要特殊的仪器设备和较苛刻的制备条件等限制性问题，难以实现大规模产业化制备。
综上所述，寻找一种高效环保、操作简单、易推广至大规模生产的宏观石墨烯组装膜力学性能提升方法，成为一项重要的挑战。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，所述宏观石墨烯组装膜由经过伽马射线辐照后的石墨烯浆料通过组装而成，所述方法包括以下步骤：
S1：将石墨烯浆料分散在溶剂中，搅拌持续一段时间，得到均匀分散的石墨烯分散液；
S2：将石墨烯分散液置于伽马射线下辐照一段时间，使其结构发生改性；
S3：将辐照后的石墨烯分散液组装成膜，干燥，最终得到宏观石墨烯组装膜。
优选地，所述石墨烯浆料包括导电石墨烯油墨、还原氧化石墨烯分散液、氧化石墨烯分散液、氧化石墨分散液中的一种或几种组合。
优选地，所述溶剂为超纯水、去离子水、氨水、无水乙醇、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、甲醇中的一种或几种组合。
优选地，所述搅拌的时间为0.1-12h。
优选地，所述搅拌的温度为25-100℃。
优选地，所述伽马射线辐照采用1.85×1017Bq60Co辐照装置，辐照量为10-200kGy。
优选地，所述组装成膜的方法为流延法、涂覆法、模板法、真空抽滤法、旋转离心涂覆法的一种或多种组合。
优选地，所述干燥的温度为25-200℃。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
与未使用伽马射线辐照处理的样品对比，本申请的方法处理后的宏观石墨烯组装膜的拉伸强度和杨氏模量最高分别提升了15.6％和390.2％。此外，该方法高效环保，简单可控，容易实现大规模制备，为制备高力学性能的宏观石墨烯组装膜提供新的思路，在电磁防护、航空航天等方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例1制备的伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的数码照片；
图2示出了根据本发明实施例1制备的伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的应力-应变曲线；
图3示出了根据本发明实施例2制备的伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的数码照片；
图4示出了根据本发明实施例2制备的伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的应力-应变曲线；
图5示出了根据本发明实施例3制备的伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的应力-应变曲线；
图6示出了根据本发明中石墨烯组装膜使用伽马射线辐照处理和未使用伽马射线辐照处理的拉伸强度和杨氏模量对照图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：
采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，宏观石墨烯组装膜由经过伽马射线辐照后的石墨烯浆料通过组装而成，方法包括以下步骤：
S1：将导电石墨烯油墨分散在超纯水中，25℃温度下搅拌1h，得到均匀分散的石墨烯分散液；
S2：采用1.85×1017Bq60Co辐照装置，将石墨烯分散液置于伽马射线下辐照，辐照量为100kGy，使其结构发生改性；
S3：将辐照后的石墨烯分散液采用真空抽滤法组装成膜，其中滤膜选用纤维素滤膜，然后置于60℃烘箱中干燥，最终得到如图1所示的伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜。
该伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜采用四探针法测得电导率为2.1(±0.3)×104Sm-1。由图2可知，采用万能试验机进行单轴拉伸试验，测得该伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的拉伸强度为20.7MPa，最大拉伸应变为3.0％，杨氏模量为2.6GPa。
与未使用伽马射线辐照处理的宏观石墨烯组装膜样品力学性能对比，本实施例得到的经过伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的拉伸强度提高了15.6％，杨氏模量提高了25.5％；但电导率和最大拉伸应变有所下降。
实施例二：
本实施例的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，包括以下步骤：
S1：将导电石墨烯油墨分散在氨水中，25℃温度下搅拌1h，得到均匀分散的石墨烯分散液。
S2：采用1.85×1017Bq60Co辐照装置，将石墨烯分散液置于伽马射线下辐照，辐照量为100kGy，使其结构发生改性。
S3：将辐照后的石墨烯分散液采用真空抽滤法组装成膜，其中滤膜选用纤维素滤膜，然后置于60℃烘箱中干燥，最终得到如图3所示的伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜。
该伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜采用四探针法测得电导率为2.2(±0.1)×104Sm-1。由图4可知，采用万能试验机进行单轴拉伸试验，测得该伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的拉伸强度为20.0MPa，最大拉伸应变为1.9％，杨氏模量为4.3GPa。
与未使用伽马射线辐照处理的宏观石墨烯组装膜样品力学性能对比，本实施例得到的经过伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的拉伸强度提高了11.7％，杨氏模量提高了390.2％；但电导率和最大拉伸应变有所下降。
实施例三：
本实施例的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，包括以下步骤：
S1：将导电石墨烯油墨分散在超纯水中，25℃温度下搅拌2h，得到均匀分散的石墨烯分散液。
S2：采用1.85×1017Bq60Co辐照装置，将石墨烯分散液置于伽马射线下辐照，辐照量为50kGy，使其结构发生改性。
S3：将辐照后的石墨烯分散液采用真空抽滤法组装成膜，其中滤膜选用纤维素滤膜，然后置于70℃烘箱中干燥，最终得到伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜。
该伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜采用四探针法测得电导率为3.1(±0.3)×104Sm-1。由图5可知，采用万能试验机进行单轴拉伸试验，测得该伽马射线辐照后的宏观石墨烯组装膜的拉伸强度为18.2MPa，杨氏模量为1.1GPa。
实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，所述宏观石墨烯组装膜由经过伽马射线辐照后的石墨烯浆料通过组装而成，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：将石墨烯浆料分散在溶剂中，搅拌持续一段时间，得到均匀分散的石墨烯分散液；
S2：将石墨烯分散液置于伽马射线下辐照一段时间，使其结构发生改性；
S3：将辐照后的石墨烯分散液组装成膜，干燥，最终得到宏观石墨烯组装膜。
2.根据权利要求1所述的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，其特征在于，所述石墨烯浆料包括导电石墨烯油墨、还原氧化石墨烯分散液、氧化石墨烯分散液、氧化石墨分散液中的一种或几种组合。
3.根据权利要求1所述的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，其特征在于，所述溶剂为超纯水、去离子水、氨水、无水乙醇、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、甲醇中的一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，其特征在于，所述搅拌的时间为0.1-12h。
5.根据权利要求1所述的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，其特征在于，所述搅拌的温度为25-100℃。
6.根据权利要求1所述的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，其特征在于，所述伽马射线辐照采用1.85×1017Bq60Co辐照装置，辐照量为10-200kGy。
7.根据权利要求1所述的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，其特征在于，所述组装成膜的方法为流延法、涂覆法、模板法、真空抽滤法、旋转离心涂覆法的一种或多种组合。
8.根据权利要求1所述的采用伽马射线增强宏观石墨烯组装膜拉伸力学性能的方法，其特征在于，所述干燥的温度为25-200℃。
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