CN207581363U - 连续制备多孔石墨烯薄膜的装置及多孔石墨烯薄膜制品 - Google Patents

Abstract

提供一种连续制备多孔石墨烯薄膜的装置及多孔石墨烯薄膜制品，所述装置包括激光头、放料机构、收料机构和导轨，放料机构和收料机构用于共同带动一聚合物薄膜沿其长度方向在聚合物薄膜的加工区域内连续匀速传输，所述放料机构和收料机构分别位于聚合物薄膜的加工区域的两侧，所述激光头位于聚合物薄膜的加工区域的上方，并安装在所述导轨上，且可在所述导轨上沿垂直于所述聚合物薄膜的加工区域的方向运动以调整其激光束的焦距，以及在所述导轨上沿预定的方向做直线往复运动，以在聚合物薄膜的加工区域内烧蚀聚合物薄膜，形成连续的多孔石墨烯。本实用新型的装置能够在聚合物薄膜基底上，进行大面积多孔石墨烯薄膜的连续批量化、产业化生产。

Description

连续制备多孔石墨烯薄膜的装置及多孔石墨烯薄膜制品

技术领域

本实用新型涉及石墨烯制备设备领域，特别涉及一种连续制备多孔石墨烯薄膜的装置及多孔石墨烯薄膜制品。

背景技术

石墨烯作为准二维纳米碳材料，具有众多优良特性，如高载流子迁移率、高导热率、高机械强度、极佳的透光性等，因而在新一代电子器件、可穿戴设备、微纳传感、新能源电池等众多领域拥有极大的发展潜力，被认为是将“彻底改变 21世纪”的“神奇材料”。

多孔石墨烯作为石墨烯家族的一员，不仅拥有石墨烯的多种优良特性，由于其多孔结构和大量的纳米孔缺陷，使得其拥有更大的表面积和更高的表面活性。多孔石墨烯被广泛应用于柔性传感器、超级电容、分子检测以及气体传感等领域。然而由于低成本大批量生产多孔石墨烯的技术缺乏，多孔石墨烯薄膜材料仍然无法得到大规模产业化应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种连续制备多孔石墨烯薄膜装置及多孔石墨烯薄膜制品，其能够在聚合物薄膜基底上，进行大面积多孔石墨烯薄膜的连续批量化、产业化生产。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种连续制备多孔石墨烯薄膜的装置，包括激光头、放料机构、收料机构和导轨，所述放料机构和收料机构共同用于带动一聚合物薄膜沿其长度方向在聚合物薄膜的加工区域内连续匀速传输，所述放料机构和收料机构分别位于所述聚合物薄膜的加工区域的两侧，所述激光头位于所述聚合物薄膜的加工区域的上方，并安装在所述导轨上，且可在所述导轨上沿垂直于所述聚合物薄膜的加工区域的方向运动以调整其激光束的焦距，以及在所述导轨上沿预定的方向做直线往复运动，以在所述聚合物薄膜的加工区域内烧蚀所述聚合物薄膜，形成连续的多孔石墨烯。

一种多孔石墨烯薄膜制品，包括至少一层多孔石墨烯制品单元，每层多孔石墨烯制品单元包括作为基底的聚合物薄膜，以及形成在所述基底的中部区域的多孔石墨烯。

本实用新型的有益效果包括：本实用新型的装置通过激光诱导，能够在聚合物薄膜基底上进行大面积多孔石墨烯薄膜的连续批量化、产业化生产。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式中连续制备多孔石墨烯薄膜的装置示意图；

图2为本实用新型具体实施方式中的连续制备多孔石墨烯薄膜的过程示意图；

图3为本实用新型具体实施方式中的激光光斑与聚合物薄膜的运动形式俯视示意图；

图4为本实用新型具体实施方式中制备的多孔石墨烯的SEM图；

图5为本实用新型具体实施方式中制备的多孔石墨烯的光镜图；

图6为本实用新型具体实施方式中采用的聚合物薄膜的横截面示意图；

图7为本实用新型具体实施方式中的多孔石墨烯制品的横截面示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本实用新型作进一步说明。需要说明的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，为本实用新型具体实施方式中连续制备多孔石墨烯薄膜的装置示意图，其包括激光头1、放料机构2、收料机构5和导轨，放料机构2和收料机构5共同用于带动一聚合物薄膜3沿其长度方向在聚合物薄膜的加工区域31 内连续匀速传输，放料机构2和收料机构5分别位于聚合物薄膜的加工区域31 的两侧，激光头1位于聚合物薄膜3的加工区域的上方，并安装在导轨上，且可在导轨上沿垂直于聚合物薄膜的加工区域的方向运动以调整其激光束的焦距，以及在导轨上沿预定的方向做直线往复运动，以在聚合物薄膜的加工区域31内烧蚀聚合物薄膜，形成连续的多孔石墨烯。其中，本例中，导轨包括X导轨6、Y 导轨7和Z导轨8，Z导轨可以固定在机架(未图示)上，激光头1安装在Y导轨7上，对焦时，X导轨6带动Y导轨7及Y导轨7上的激光头1在Z导轨8 上滑动(即沿Z轴方向运动)，对焦完成后，X导轨6位置固定；在直线往复运动过程中，Y导轨7带动激光头1在X导轨6上滑动(即沿X轴方向运动)，且激光头1在Y导轨7上滑动(即沿Y轴方向运动)，这两个方向就合成了激光头的加工过程和回程过程的直线往复运动。放料机构2为滚筒放料机构，包括放料传动辊21和放料辅助辊22(本例中为两个放料辅助辊)，收料机构5为滚筒收料机构，包括收料传动辊51和收料辅助辊52(本例中为两个收料辅助辊)，放料传动辊21和收料传动辊51滚绕带动聚合物薄膜3运动(图中用箭头示意)，放料辅助辊22和收料辅助辊52保持运动中的聚合物薄膜3在聚合物薄膜的加工区域内31紧绷，以有利于高质量的多孔石墨烯的生长。

采用上述装置进行多孔石墨烯薄膜的连续制备时，通过控制一定波长的激光烧蚀特定的聚合物薄膜，利用激光光热作用即可诱导生成多孔石墨烯。在具体的实施方式中，包括如下步骤：

(1)聚合物薄膜沿其长度方向在聚合物薄膜的加工区域内连续匀速传输；

(2)预先调好焦距的激光沿预定的方向做直线往复运动，在聚合物薄膜的加工区域内烧蚀聚合物薄膜，形成连续的多孔石墨烯。

如图2所示，1表示激光头、11表示激光头发出的激光，2示意放料机构、3表示聚合物薄膜、4表示生成的多孔石墨烯薄膜，5示意收料机构，图中所示的XYZ坐标系，在下文中：“X轴方向”和“聚合物薄膜长度方向”是表示同一个方向，“Y轴方向”和“聚合物薄膜宽度方向”是表示同一个方向，“Z轴方向”和“垂直于聚合物薄膜的加工区域的方向”是表示同一个方向。聚合物薄膜在放料机构 2和收料机构5的带动下沿其长度方向(即图中所示的X轴方向上)在聚合物薄膜的加工区域内连续匀速传输。激光头1可以在垂直于聚合物薄膜的加工区域的方向运动(即图中所示的Z轴方向上)以调整其激光束的焦距，调好焦距的激光沿预定的方向做直线往复运动，在聚合物薄膜的加工区域内烧蚀聚合物薄膜，形成连续的多孔石墨烯，也即，激光头在图中所示的XYZ轴方向上都可以运动，在加工过程中，保持激光头在Z轴方向上固定，在XY平面内做直线运动。

其中，较优的是，激光运动的预定的方向是指：激光的运动方向与聚合物薄膜的宽度方向(即图中所示的Y轴方向)呈一定角度θ，0°＜θ＜1°，优选地，0°＜θ＜0.52°；在激光做直线往复运动时，在所述聚合物薄膜的加工区域内，当激光在聚合物薄膜长度方向上的速度分量的方向与聚合物薄膜的运动方向相同时，为加工过程，在加工过程中，激光打开；当激光在聚合物薄膜长度方向上的速度分量的方向与聚合物薄膜的运动方向相反时，为回程过程，在回程过程中，激光关闭。更进一步地，在加工过程中，激光在聚合物薄膜长度方向上的速度分量 V_x的大小在0.006mm/s～0.455mm/s范围内；激光在聚合物薄膜宽度方向上的速度分量V_y的大小在50mm/s～250mm/s范围内。如图3所示，为激光光斑与聚合物薄膜的运动形式俯视示意图，该示例中，激光光斑(如图中的a，a’所示)沿着与Y 轴方向呈一定角度θ的方向做直线往复运动，图中示意的a→a’为加工过程，a’→a 为回程过程。

其中，激光光斑直径为100μm-200μm，单次诱导后可在聚合物薄膜上生成宽度等于激光光斑直径的多孔石墨烯线条41，在多次加工过程后，在聚合物薄膜的加工区域内会形成连续的多孔石墨烯，如图5所示，在微观下能看到连续的多孔石墨烯由若干条平行相接(即每条石墨烯线条的边缘线是相互平行的，每相邻的两条石墨烯线条是紧挨着或者部分交叠的)排列的多孔石墨烯线条组成。每两条相邻的多孔石墨烯线条的中心间距为s，单条多孔石墨烯线条的线宽(即激光光斑直径)的三分之二≤s≤单条多孔石墨烯线条的线宽(即激光光斑直径)，较优的是，s在66μm～100μm范围内，s也可以通过以下公式推算得到：

如图3所示，设聚合物薄膜的加工区域的宽度d，激光加工过程的速度分量为V_x和V_y，回程过程的速度分量为V_x′和V_y′，回程过程的用时为t，则有：

通过换算可知，

其中，聚合物薄膜的加工区域的宽度d为50mm～500mm，激光的回程速度可以为加工过程的速度的10倍(V_x′是V_x的10倍和V_y′是V_y的10倍)，聚合物薄膜的运动速度V₀可以等于加工过程中激光的速度的X分量(即V_x)。

在以上具体实施方式中，激光为点状光斑激光，采用CO₂红外激光，波长为10.6微米；激光功率为4W～10W；聚合物薄膜为聚酰亚胺(PI)或聚醚酰亚胺(PEI) 薄膜；聚合物薄膜的中部为加工区域，聚合物薄膜两侧部分的宽度各自独立的为所述加工区域宽度的八分之一至六分之一之间；聚合物薄膜的厚度为50-100μm，加工得到的多孔石墨烯的厚度为5-40μm。以上实施方式中的加工方法可以提升生成的多孔石墨烯薄膜的均匀性和质量，加工过程中聚合物薄膜连续运动，光斑激光器在固定运动线路上做周期性直线往复运动，对设备的运动精度和性能要求不高，工作范围小，可以减小装置尺寸，且只需要功率很小的点状激光就可实现大面积的连续多孔石墨烯薄膜加工，节省设备成本，加工效率高。如图4所示，由于加工成的多孔石墨烯具有多孔、疏松的特点(多孔石墨烯孔的孔隙率为 25％-65％)，易受压损坏，因此聚合物薄膜使用特定的横截面形状，如图6所示，横截面两侧部分较中间沉积石墨烯的部分高出一些尺寸(例如，两侧厚度可以比加工区域的厚度高出一倍)，在多孔石墨烯卷绕后，可起支撑作用，防止薄膜卷绕压坏多孔石墨烯结构，卷绕后的横截面形状如图7所示。

以下通过一个具体的实例对本实用新型进行详细阐述。

实施例1

如图1～7所示，激光器采用波长为10.6μm的红外激光，功率为5.5W。聚合物薄膜为聚酰亚胺(PI)薄膜。将聚合物薄膜卷绕在放料机构和收料机构上，聚合物薄膜的中间部分为加工区域，其厚度为50μm，宽度为300mm，聚合物薄膜的两侧的宽度各为50mm，厚度各为100μm。控制激光头1在Z轴方向运动，进行激光对焦，对焦后激光光斑直径为100μm。加工过程(如图3中a→a’的过程) 中激光工作，回程过程(如图3中a’→a的过程)中激光关闭，设置聚合物薄膜的传输速度V₀＝0.045mm/s，连续匀速传动，加工过程中，激光光斑与聚合物薄膜相对运动速度V_y＝150mm/s，V_x＝0.045mm/s，回程中激光光斑速度V_x′＝0.45mm/s， V_y′＝1500mm/s。如此周期直线往复运动，得到连续大面积的多孔石墨烯薄膜。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续制备多孔石墨烯薄膜的装置，其特征在于，包括激光头、放料机构、收料机构和导轨，所述放料机构和收料机构用于共同带动一聚合物薄膜沿其长度方向在聚合物薄膜的加工区域内连续匀速传输，所述放料机构和收料机构分别位于所述聚合物薄膜的加工区域的两侧，所述激光头位于所述聚合物薄膜的加工区域的上方，并安装在所述导轨上，且可在所述导轨上沿垂直于所述聚合物薄膜的加工区域的方向运动以调整其激光束的焦距，以及在所述导轨上沿预定的方向做直线往复运动，以在所述聚合物薄膜的加工区域内烧蚀所述聚合物薄膜，形成连续的多孔石墨烯。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放料机构为滚筒放料机构，包括放料传动辊和放料辅助辊，所述收料机构为滚筒收料机构，包括收料传动辊和收料辅助辊，所述放料传动辊和收料传动辊带动所述聚合物薄膜运动，所述放料辅助辊和收料辅助辊保持运动中的所述聚合物薄膜在所述聚合物薄膜的加工区域内紧绷。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光是点状光斑激光，光斑直径为100μm-200μm。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述激光采用CO₂红外激光，波长为10.6微米；所述激光的功率为4W～10W。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导轨包括X导轨、Y导轨和Z导轨，所述激光头安装在所述Y导轨上，对焦时，所述X导轨带动所述Y导轨及所述Y导轨上的激光头在所述Z导轨上滑动，对焦完成后，所述X导轨位置固定；在所述直线往复运动中，所述Y导轨带动所述激光头在所述X导轨上滑动，且所述激光头在所述Y导轨上滑动。

6.一种由权利要求1所述的装置制备得到的多孔石墨烯薄膜制品，其特征在于，包括至少一层多孔石墨烯制品单元，每层多孔石墨烯制品单元包括作为基底的聚合物薄膜，以及形成在所述基底的中部区域的多孔石墨烯。

7.如权利要求6所述的多孔石墨烯薄膜制品，其特征在于，所述多孔石墨烯薄膜制品由至少两层多孔石墨烯制品单元堆叠而成，所述基底的两侧部分的宽度各自独立地为所述中部区域的宽度的八分之一至六分之一之间，且所述基底的两侧部分的厚度各自独立地大于所述中部区域的厚度。

8.如权利要求6所述的多孔石墨烯薄膜制品，其特征在于，所述基底的中部区域的宽度为50mm～500mm。

9.如权利要求6所述的多孔石墨烯薄膜制品，其特征在于，每一层多孔石墨烯制品单元中，所述基底的中部区域的厚度为50-100μm；所述多孔石墨烯的厚度为5-40μm。

10.如权利要求6所述的多孔石墨烯薄膜制品，其特征在于，所述基底材料为聚酰亚胺或聚醚酰亚胺。