本發(fā)明屬于石墨烯功能材料領(lǐng)域，具體涉及一種韌性導(dǎo)熱導(dǎo)電石墨烯薄膜的制備方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種具有眾多優(yōu)良特性的二維晶體材料，特別是其優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能以及在化學(xué)上的可控功能化特性，使得該材料在眾多工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。不同于以往的其他碳納米材料，例如一維的碳納米管，零維的碳黑，石墨烯的二維平面結(jié)構(gòu)被認(rèn)為從維度上更適合于涂料和薄膜應(yīng)用領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的石墨烯薄膜制備方法有化學(xué)氣相沉積法(cvd)等，這類方法雖然可以制備出高質(zhì)量的本征石墨烯薄膜，但由于制備設(shè)備昂貴且原料成本高以及難以連續(xù)生產(chǎn)等制約因素還沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。涂覆法雖然彌補(bǔ)了cvd法的一些缺點(diǎn)但也造成了薄膜結(jié)構(gòu)一致性難以控制，增加后續(xù)干燥工序等其它問題。

近兩年隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，石墨烯通過靜電噴涂制作薄膜的方法逐漸被人們重視起來，但該方法普遍耗時(shí)較長，并且連續(xù)化生產(chǎn)困難，同時(shí)對(duì)前驅(qū)液的導(dǎo)電性能要求嚴(yán)格。zl201610133829.8中提將氧化石墨烯懸浮液通過噴涂的方法噴涂在各種不同基材上。然后經(jīng)過熱滾壓將氧化石墨烯薄膜還原制成石墨烯摸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種通過高溫空氣環(huán)形成型法制備韌性多功能石墨烯薄膜的方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種韌性多功能石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟：

1)氧化石墨烯的制備

采用化學(xué)氧化法制備氧化石墨烯；

2)氧化石墨烯前驅(qū)液的制備

將步驟1)中制備的氧化石墨烯配制成濃度為1-5mg·ml^-1的水溶液；

3)石墨烯薄膜的制備

采用高溫環(huán)形空氣成型設(shè)備，將步驟2)中的氧化石墨烯前驅(qū)液經(jīng)高溫環(huán)形空氣流成型在薄膜收集裝置上，形成石墨烯薄膜，環(huán)形氣流發(fā)生器處的高溫會(huì)使氧化石墨烯還原成為石墨烯。

具體地，所述高溫環(huán)形空氣流上升方向與石墨烯溶液重力方向平行，且高溫環(huán)形氣流半徑為15cm，薄膜收集裝置成型距離為55cm。

具體地，所述高溫環(huán)形空氣流出口溫度為230-600℃。

具體地，石墨烯薄膜厚度最小能達(dá)到10±2μm，導(dǎo)熱系數(shù)為800-1000w/m·k，導(dǎo)電系數(shù)為10³-10⁵s/cm，彎曲次數(shù)均達(dá)到10⁴(r5/180°)次以上。

具體地，所述步驟3)中的高溫環(huán)形空氣成型設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、加熱器、壓縮機(jī)、蠕動(dòng)泵、環(huán)形空氣發(fā)生頭、運(yùn)輸機(jī)、薄膜收集裝置，所述風(fēng)機(jī)通過管道與環(huán)形空氣發(fā)生頭連接，風(fēng)機(jī)與環(huán)形空氣發(fā)生頭之間的官道上設(shè)有加熱器，環(huán)形空氣發(fā)生頭通過管道分別與壓縮機(jī)和蠕動(dòng)泵連接，環(huán)形空氣發(fā)生頭下方設(shè)有薄膜收集裝置，薄膜收集裝置設(shè)置于運(yùn)輸機(jī)上。

上述制備的前驅(qū)體溶液為均勻分散的溶液，開啟蠕動(dòng)泵、壓縮機(jī)、加熱器，將制備的前驅(qū)體溶液泵入高溫環(huán)形空氣發(fā)生頭，加熱器出口溫度為230-600℃、噴霧時(shí)間為5s；根據(jù)所需石墨烯薄膜厚度，可以控制上述操作的進(jìn)料流量。成型完畢，履帶式運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)開啟，開始下一張薄膜成型。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的高溫環(huán)形空氣成型法制備石墨烯薄膜工藝簡單，可以通過環(huán)形空氣流的方向和大小，可在任何形狀的基體上成型。更重要的是，環(huán)形空氣流本身就是高溫氣體，可在成型過程中將氧化石墨烯薄膜還原成石墨烯薄膜，省去了額外的熱壓工藝。工業(yè)放大可行性高，且由于工藝屬于空氣沉積，可以利用多種可控功能化石墨烯制備多種功能化前驅(qū)液，并以去離子水作為分散相，由于考慮了石墨烯片層在空氣中的漂浮性，直接通過高溫空氣環(huán)形成型裝置配合柱狀收集裝置將石墨烯片層沿容器徑向沉積于容器內(nèi)表面，后經(jīng)過分離與剪裁，有望在多種尖端薄膜領(lǐng)域得到應(yīng)用。

附圖說明

圖1為氧化石墨烯的紅外光譜圖。

圖2為本發(fā)明石墨烯薄膜的光學(xué)照片。

圖3為本發(fā)明高溫環(huán)形空氣成型設(shè)備的原理圖。

圖中，1、風(fēng)機(jī)，2、加熱器，3、壓縮機(jī)，4、蠕動(dòng)泵，5、環(huán)形空氣發(fā)生頭，6、薄膜收集裝置，7、運(yùn)輸機(jī)。

具體實(shí)施方式

以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步描述，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于這些實(shí)施例。凡是不背離本發(fā)明構(gòu)思的改變或等同替代均包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

實(shí)施例1

1)氧化石墨烯的制備

采用化學(xué)氧化法合成氧化石墨烯，凍干成氧化石墨烯粉末。

2)氧化石墨烯前驅(qū)液的制備

將1)中制備的氧化石墨烯溶液配制成濃度為2mg/ml的水溶液。

3)韌性導(dǎo)熱導(dǎo)電石墨烯薄膜的制備

高溫環(huán)形空氣成型設(shè)備包括風(fēng)機(jī)1、加熱器2、壓縮機(jī)3、蠕動(dòng)泵4、環(huán)形空氣發(fā)生頭5、運(yùn)輸機(jī)7、薄膜收集裝置6，所述風(fēng)機(jī)1通過管道與環(huán)形空氣發(fā)生頭5連接，風(fēng)機(jī)與環(huán)形空氣發(fā)生頭5之間的官道上設(shè)有加熱器2，環(huán)形空氣發(fā)生頭5通過管道分別與壓縮機(jī)3和蠕動(dòng)泵4連接，環(huán)形空氣發(fā)生頭5下方設(shè)有薄膜收集裝置6，薄膜收集裝置6設(shè)置于運(yùn)輸機(jī)7上。

以上制備的前驅(qū)體溶液為均勻分散的溶液，開啟蠕動(dòng)泵、壓縮機(jī)、加熱器，將上述制備的前驅(qū)體溶液泵入高溫環(huán)形空氣發(fā)生頭，加熱器出口溫度為230℃、噴霧時(shí)間為5s；根據(jù)所需石墨烯薄膜厚度，可以控制上述操作的進(jìn)料流量。成型完畢，履帶式運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)開啟，開始下一張薄膜的成型。

在所制備的薄膜中隨機(jī)抽出一張進(jìn)行性能檢測(cè)，得到以下檢測(cè)結(jié)果：厚度15±2μm，拉伸強(qiáng)度0.051mpa，斷裂伸長率20％，彎曲次數(shù)10⁴次以上，電導(dǎo)率為3.5×10³s/cm，導(dǎo)熱率為883.1w/m·k。

實(shí)施例2

(1)氧化石墨烯的制備

采用化學(xué)氧化法合成氧化石墨烯，凍干。

(2)氧化石墨烯前驅(qū)液的制備

稱取0.1g氧化石墨烯干粉，配成濃度為5mg/ml的氧化石墨烯水溶液。

(3)韌性導(dǎo)熱導(dǎo)電石墨烯薄膜的制備

以上制備的前驅(qū)體溶液為均勻分散的溶液，開啟蠕動(dòng)泵、空氣壓縮機(jī)、加熱器，將上述制備的前驅(qū)體溶液泵入高溫環(huán)形空氣發(fā)生頭，加熱器出口溫度為500℃、噴霧時(shí)間為5s；根據(jù)所需石墨烯薄膜厚度，可以控制上述操作的進(jìn)料流量。成型完畢，履帶式運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)開啟，開始下一張薄膜成型。

在所制備的薄膜中隨機(jī)抽出一張進(jìn)行性能檢測(cè)，得到以下檢測(cè)結(jié)果：厚度25±2μm，拉伸強(qiáng)度0.065mpa，斷裂伸長率26％，彎曲次數(shù)10⁴次以上，電導(dǎo)率為7.8×10⁴s/cm，導(dǎo)熱率為957.3w/m·k。

實(shí)施例3

(1)氧化石墨烯的制備

采用化學(xué)氧化法合成氧化石墨烯，凍干，氧化石墨烯的紅外光譜圖如圖1所示。

(2)氧化石墨烯前驅(qū)液的制備

稱取0.1g氧化石墨烯干粉，配成濃度為1mg/ml的氧化石墨烯水溶液。

(3)韌性導(dǎo)熱導(dǎo)電石墨烯薄膜的制備

如圖3所示，以上制備的前驅(qū)體溶液為均勻分散的溶液，開啟蠕動(dòng)泵、空氣壓縮機(jī)、加熱器，將上述制備的前驅(qū)體溶液泵入高溫環(huán)形空氣發(fā)生頭，加熱器出口溫度為600℃、噴霧時(shí)間為5s；根據(jù)所需石墨烯薄膜厚度，可以控制上述操作的進(jìn)料流量，成型完畢。履帶式運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)開啟，開始下一張薄膜成型。制得的石墨烯薄膜光學(xué)圖片如圖2所示。

在所制備的薄膜中隨機(jī)抽出一張進(jìn)行性能檢測(cè)，得到以下檢測(cè)結(jié)果：厚度20±2μm，拉伸強(qiáng)度0.055mpa，斷裂伸長率21％，彎曲次數(shù)10⁴次以上，電導(dǎo)率為5.6×10⁴s/cm，導(dǎo)熱率為1000.3w/m·k。

采用上述方法制備的韌性導(dǎo)電導(dǎo)熱薄膜的部分參數(shù)詳見下表：