CN115819824A - 一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜及其制备方法，包括以下步骤：S1、采用二氧化碳激光照射聚酰亚胺薄膜的表面进行瞬时高温处理生成石墨烯层，激光同时使石墨烯层和聚酰亚胺薄膜组成的复合膜产生微孔；S2、在所得复合膜的表面旋涂聚酰胺酸，再进行亚胺化反应，反应后的膜表面再进行二氧化碳激光二次照射，获得所述石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜。本发明的制备方法简单、易于实施，利于大规模工业化生产，同时提高了渗水地膜的光吸收性能，赋予了渗水地膜全光谱吸收能力，可以实现高效的光热转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜及其制备方法，属于农业地膜技术领域。
背景技术
太阳能具有分布广泛、清洁、稳定、储量巨大等特点，是目前人们利用最为成熟的新能源之一。太阳能还具有一项独特的优势是能够与不同性质的材料相互作用，向多种形式的能量转化，如转化为热能为植物生长提供能量。太阳光照射到物质上时，由于物质内的电子、原子(团)等微观粒子吸收能量后发生跃迁，再返回到低能态时使得热载流子将能量重新分配，促使光热材料的表面温度得以提高，最终将光能转换成热能。
高效稳定的光热转换材料是成功实现太阳能高效光热转换利用的关键。石墨烯作为最薄的二维结构材料，具有优异的物理化学性能，一直是研究的热点。光热转换效应方面，石墨烯在从紫外线到近红外光的大范围太阳光谱中都表现出了很强的吸光能力，可以有效地将光子能量转化为热能，产生光热效应。石墨烯较高的光吸收能力赋予了地膜全光谱吸收能力，可以有效地提高地膜温度。
随着农业生产和农作物科学栽培水平的逐步提高，地膜覆盖作为一项充分利用温度、光、土、水等自然资源，提高产量、改善作物品质的重要技术措施，应用范围越来越广。渗水地膜具有渗水、保水、增温、调温、微通气、耐老化等多种功能，与覆盖普通地膜相比，可提高天然降水利用率，提高表土层肥料利用率，利于作物根系呼吸，促进作物生长发育进程，大幅度提高农作物单位面积产量。渗水地膜非常利于提高旱地水资源利用率，发展具有光热转换功能的渗水地膜能提高光照利用率，从而加速植物生长，目前石墨烯基渗水地膜技术鲜有报道，其主要受限于石墨烯的复杂加工工艺和高成本等问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜及其制备方法，工艺简单，成本低。
为了实现上述目的，本发明采用的一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用二氧化碳激光照射聚酰亚胺薄膜的表面进行瞬时高温处理生成石墨烯层，激光同时使石墨烯层和聚酰亚胺薄膜组成的复合膜产生微孔；
S2、在所得复合膜的表面旋涂聚酰胺酸，再进行亚胺化反应，反应后的膜表面再进行二氧化碳激光二次照射，获得所述石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜。
作为改进的，所述步骤S1、S2中采用的二氧化碳激光的波长为10.6μm，光斑大小为200μm。
作为改进的，所述步骤S1中二氧化碳激光照射的工艺参数为：功率20-40W，激光扫描速度200-400mm/s，划线间距为140-160μm。
作为改进的，所述步骤S2中旋涂聚酰胺酸时，以1000rpm持续30秒，1500rpm持续20秒，500rpm持续20秒钟。
作为改进的，所述步骤S2中的亚胺化反应具体为：真空烘箱中80-100℃保持20-30分钟，100-130℃保持60分钟，220-250℃保持30分钟。
作为改进的，所述步骤S2中二氧化碳激光二次照射的工艺参数为：功率4-6W，激光扫描速度200-400mm/s，划线间距为110-130μm。
作为改进的，制备的渗水地膜的内部孔径为60-120μm。
另外，本发明还提供了一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜，采用所述的制备方法制得。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明在二氧化碳激光照射的瞬时高温下制备石墨烯材料，在快速、高质量的制备石墨烯的同时降低了生产成本。
2)本发明通过两次激光工艺获得致密石墨烯层(激光二次照射前涂布了石墨烯的前驱体，通过第二次激光照射将前驱体生成了石墨烯，因此可以增加石墨烯的含量)，即增加了石墨烯在渗水地膜中的含量，进而增强了渗水地膜对红外光的吸收能力。
3)本发明在激光制备石墨烯的过程中，同步实现了薄膜的造孔，获得了具有微米孔径的渗水地膜，有利于提高天然降水利用率，提高了表土层肥料利用率，利于作物根系呼吸，促进了作物生长发育进程。
4)本发明主要借助激光诱导高效制备高质量、低成本的石墨烯，使用聚酰亚胺作为成膜的支撑材料，在石墨烯的制备过程中，通过高能量的单次激光同步实现微孔造孔，即一步激光过程就实现了石墨烯渗水地膜的制备(第二次激光照射实质上是为了进一步增加渗水地膜中石墨烯的含量)；此过程简单、易于实施，非常有利于大规模工业化生产。此外，通过增加石墨烯层的致密性，增加了石墨烯的含量，提高了复合膜的光吸收性能，赋予了渗水地膜全光谱吸收能力，可以实现高效的光热转换。
附图说明
图1为本发明的制备流程示意图；
图2为本发明实施例1中石墨烯层和复合膜中微孔示意图；
图3为本发明实施例1制备的渗水地膜的扫描电镜图；
图4为本发明实施例1中石墨烯层的拉曼谱图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清晰、更易理解，以下对本发明内容进行进一步的详细说明。需要说明的是，下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，具体包括以下步骤：
1)采用波长为10.6μm，光斑大小为200μm的二氧化碳激光，按照功率30W，激光扫描速度200mm/s，划线间距为150μm，照射聚酰亚胺(PI)薄膜的表面进行瞬时高温化生成石墨烯层；上述激光同时会在石墨烯层和聚酰亚胺薄膜组成的复合膜中产生微孔；
2)在步骤1)所得复合膜的表面旋涂聚酰胺酸，旋涂步骤按照1000rpm持续30秒，1500rpm持续20秒，500rpm持续20秒钟，以充分去除过量的聚酰胺酸，旋涂完成后将复合膜放置于真空烘箱中100℃保持20分钟，130℃保持60分钟，250℃保持30分钟，进行亚胺化反应，反应结束后得到PI-石墨烯-PI三层复合膜；
3)采用波长为10.6μm，光斑大小为200μm的二氧化碳激光，按照功率4.8W，激光扫描速度200mm/s，划线间距为120μm，照射步骤2)得到的PI-石墨烯-PI三层复合膜的表面，从而获得高致密度和高剥离强度的石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜。
对实施例1制得的石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜进行性能分析：
如图2、图3所示，该石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜具有若干孔径约80μm的微孔，依靠微孔能实现高效光热转换、渗水、保水、增温、调温、微通气等功能；另外，该石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的厚度约为220μm。
如图4所示，对实施例1中表层致密的石墨烯进行拉曼表征，在拉曼位移分别为1350cm-1，1580cm-1和2700cm-1处，分别出现了石墨烯特征的D、G和2D峰，表明制备得到了良好的石墨烯。
实施例2
如图1、图2所示，一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，具体包括以下步骤：
1)采用波长为10.6μm，光斑大小为200μm的二氧化碳激光，按照功率25W，激光扫描速度260mm/s，划线间距为140μm，照射聚酰亚胺(PI)薄膜的表面进行瞬时高温化生成石墨烯层；上述激光同时在石墨烯层和聚酰亚胺薄膜组成的复合膜中产生微孔；
2)在步骤1)所得复合膜的表面旋涂聚酰胺酸，旋涂操作按照1000rpm持续30秒，1500rpm持续20秒，500rpm持续20秒钟，旋涂完成后将复合膜放置于真空烘箱中90℃保持25分钟，120℃保持60分钟，230℃保持30分钟，进行亚胺化反应，反应结束后得到PI-石墨烯-PI三层复合膜；
3)采用波长为10.6μm，光斑大小为200μm的二氧化碳激光，按照功率5W，激光扫描速度300mm/s，划线间距为115μm，照射得到的PI-石墨烯-PI三层复合膜的表面，从而获得高致密度和高剥离强度的石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜。
实施例3
如图1、图2所示，一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，具体包括以下步骤：
1)采用波长为10.6μm，光斑大小为200μm的二氧化碳激光，按照功率38W，激光扫描速度350mm/s，划线间距为155μm，照射聚酰亚胺(PI)薄膜的表面进行瞬时高温化生成石墨烯层；上述激光同时在石墨烯层和聚酰亚胺薄膜组成的复合膜中产生微孔；
2)在步骤1)所得复合膜的表面旋涂聚酰胺酸，旋涂操作按照1000rpm持续30秒，1500rpm持续20秒，500rpm持续20秒钟，旋涂完成后将复合膜放置于真空烘箱中90℃保持28分钟，110℃保持60分钟，240℃保持30分钟，进行亚胺化反应，反应结束后得到PI-石墨烯-PI三层复合膜；
3)采用波长为10.6μm，光斑大小为200μm的二氧化碳激光，按照功率5.8W，激光扫描速度350mm/s，划线间距为115μm，照射得到的PI-石墨烯-PI三层复合膜的表面，从而获得高致密度和高剥离强度的石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用二氧化碳激光照射聚酰亚胺薄膜的表面进行瞬时高温处理生成石墨烯层，激光同时使石墨烯层和聚酰亚胺薄膜组成的复合膜产生微孔；
S2、在所得复合膜的表面旋涂聚酰胺酸，再进行亚胺化反应，反应后的膜表面再进行二氧化碳激光二次照射，获得所述石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1、S2中采用的二氧化碳激光的波长为10.6μm，光斑大小为200μm。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中二氧化碳激光照射的工艺参数为：功率20-40W，激光扫描速度200-400mm/s，划线间距为140-160μm。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中旋涂聚酰胺酸时，以1000rpm持续30秒，1500rpm持续20秒，500rpm持续20秒钟。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的亚胺化反应具体为：真空烘箱中80-100℃保持20-30分钟，100-130℃保持60分钟，220-250℃保持30分钟。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中二氧化碳激光二次照射的工艺参数为：功率4-6W，激光扫描速度200-400mm/s，划线间距为110-130μm。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜的制备方法，其特征在于，制备的渗水地膜的内部孔径为60-120μm。
8.一种石墨烯/聚酰亚胺渗水地膜，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制得。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |