一種石墨烯薄膜的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種石墨烯薄膜的制備方法，首次利用石墨烯衍生物與無機非金屬平面載體復合材料以設定速度通過微波加熱區從而精確控制其加熱時間及冷卻時機，抑制因微波加熱不同區域存在差異而引入的加熱不均勻性且易于實現機械化連續生產，并且將能夠快速加熱的微波技術與石墨烯衍生物具微波吸收特性及高導熱能力結合，同時利用無機非金屬平面載體耐高溫且表面石墨烯衍生物層的熱量易于被快速交換轉移的特性，使得載體表面涂布的石墨烯衍生物層能夠被快速轉化為石墨烯層，隨后分離石墨烯層及載體即獲得具有良好導電能力的石墨烯薄膜，通過該種方法制備的石墨烯薄膜性能優良，可以為導電薄膜、石墨烯材料的進一步發展及應用作出貢獻。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于材料領域，涉及一種石墨烯薄膜特別是利用微波快速加熱的特性及石墨烯衍生物微波吸收特性與高導熱能力，通過無機非金屬平面載體表面涂布石墨烯衍生物溶液形成載體表面涂布石墨烯衍生物層的復合物，然后復合物以設定速度運動通過微波加熱區并在微波加熱區對石墨烯衍生物層選擇性加熱處理并在隨后快速冷卻及擠壓而獲得具有良好導電能力的石墨烯層覆蓋的載體復合物，分離石墨烯層及載體即可獲得石墨烯薄膜。
技術介紹
隨著社會的發展，薄膜在包括封閉、傳感、電磁屏蔽等領域有著廣泛的應用價值而受到人們的高度關注。石墨烯作為一種二維材料，其出色的性能使得其成為高性能薄膜材料的良好選擇。石墨烯優異的力學性質(楊氏模量高達1.0TPa)、電學性質(電子遷移率高達106cm2.v-1s-1)、熱學性質(熱導系數高達5000w.m-1.k-1)、光學性質(單層石墨烯的可見光吸收僅有2.3％和優異的鎖模特性)，超大的理論比表面積(2630m2.g-1)及單片層結構賦予其獨特的化學和電化學活性使得石墨烯在電子、信息、能源、材料和生物醫藥等領域具有重大的應用前景。因此人們紛紛研制基于石墨烯的薄膜。其中主流的方法是由化學氣相沉積石墨烯薄膜及基于包括氧化石墨烯在內的衍生物涂布而獲得的石墨烯衍生物薄膜。化學氣相沉積生長的石墨烯薄膜性能優良，但長時間(常常以小時計)高溫生長的高能耗及費時限制了其大規模應用；而基于石墨烯衍生物涂布的石墨烯衍生物薄膜則存在性能欠佳的問題:氧化石墨烯由于其基面被氧化使得其不僅存在孔洞而且其導電、導熱性能均大幅度下降，而還原則存在難以還原徹底，且化學還原有污染及高溫還原費時(通常以小時計)且能耗大等問題；而石墨烯邊緣衍生物薄膜性能同樣有待提高。所以，迫切需要一種能夠方便、快速、低能耗制備石墨烯薄膜的技術。為此，本申請在國際上首次以無機非金屬平面材料為載體，通過溶液在其表面涂布石墨烯衍生物層形成載體復合物，隨后在設定氣氛下使得載體復合物以設定速度運動通過微波加熱區，然后利用石墨烯衍生物吸收微波的特性，以設定時間快速(通常以秒計)選擇性高溫處理載體材料表面的石墨烯衍生物層并將其轉化為石墨烯層，然后分離載體及石墨烯層即可獲得石墨烯薄膜。本專利技術不但充分發揮石墨烯衍生物吸收微波特性、微波加熱快速高效、無機非金屬材料耐受高溫且與石墨烯層易于分離的特性，而且載體復合物以設定速度運動通過微波加熱區還可以精確控制載體復合物的加熱時間、冷卻時機、避免微波不同區域存在的加熱不均并且易于實現機械化連續處理而有助于高質量石墨烯薄膜的批量制備。一般微波爐加熱時間設定有30秒為單位的多個檔次，但是實驗表明在保護氣氛下加熱一個整檔就可能發生由于升溫過快而導致涂布的石墨烯衍生物層散亂甚至脫落，即使精密微波爐可以設定微波脈沖長度，但也難以設定可能最優的加熱時間如1.2秒，而載體復合物以設定速度通過微波加熱區則可以根據微波加熱區尺寸輕松獲得精確的最佳加熱時間。此外，將載體復合物放置在微波爐中加熱一段時間，取出后可以明顯感覺到放置在不同加熱區域的載體復合物加熱效果不一樣，這與微波爐中加熱電場的均勻性有關，雖然可以通過設計如曲面天線結構等方式提高微波爐加熱均勻性，但其也有一定限度。而載體復合物以設定速度通過整個微波加熱區則由于所有載體復合物均通過整個加熱區而獲得一致的加熱效果。載體復合物以設定速度通過整個微波加熱區籍由精確控制加熱時間完成加熱后立即離開微波加熱區就可以快速冷卻，因此其冷卻時機易于掌握，從而有助于優化制備工藝。特別地，由于溶液涂布的石墨烯衍生物層以石墨烯基面鋪展的形態層層包覆在載體上，因此高溫處理獲得的石墨烯層還由于不同石墨烯片層間π電子云之間的相互作用而可以保持較好的導電、導熱及機械性能，所以獲得的石墨烯薄膜性能也較為優良?？傊緦＠夹g的方法可以方便、快捷、低能耗地制備石墨烯薄膜，有望為石墨烯薄膜的進一步推廣應用作出貢獻。
技術實現思路
技術問題：本專利技術的目的是提供一種石墨烯薄膜的制備方法，特別是利用石墨烯衍生物微波吸收特性、微波加熱具有快速升溫特點及無機非金屬平面載體耐高溫特點、無機非金屬平面載體與石墨烯層易于分離的特點，通過在無機非金屬平面載體表面溶液涂布石墨烯衍生物層形成載體復合物，然后于特定的氣氛環境中載體復合物以設定速度運動通過微波加熱區并在微波加熱區對石墨烯衍生物層選擇性加熱處理，隨后快速冷卻及擠壓而獲得具有良好導電能力的石墨烯層覆蓋的載體復合物，分離石墨烯層及載體即可獲得石墨烯薄膜。該方法方便、快捷、低能耗，且獲得的石墨烯薄膜具有良好的導電能力，因此有助于石墨烯薄膜更好地服務社會。技術方案：本專利技術的一種石墨烯薄膜的制備方法為：首先配制石墨烯衍生物溶液，然后將石墨烯衍生物溶液涂布在選定的無機非金屬平面載體表面形成表面涂布了石墨烯衍生物層的載體復合物，隨后在設定氣氛下使得載體復合物以設定速度運動通過微波加熱區并使得其表面石墨烯衍生物層以設定時間被微波加熱處理轉化為石墨烯層，隨后載體復合物離開微波加熱區并被冷卻,然后載體復合物通過擠壓處理即可獲得具有良好導電能力的石墨烯層覆蓋載體的復合材料，分離石墨烯層及載體即可以獲取獨立支撐的石墨烯薄膜。其中：所述石墨烯衍生物是指石墨烯的氧化物包括氧化石墨烯和還原氧化石墨烯及石墨烯邊緣衍生物。所述無機非金屬平面載體是無機非金屬的片、布、板或者紙。其材質包括玻璃片、玻璃纖維布、玻璃纖維板、石棉板、石棉布、石棉紙、陶瓷纖維布、硅酸鋁纖維紙或硅酸鋁纖維布。所述石墨烯薄膜碳含量大于90％。所述石墨烯衍生物層以設定時間被微波加熱處理轉化為石墨烯層是指石墨烯衍生物吸收微波而升溫并在設定氣氛下導致氧化的石墨烯被還原轉化為石墨烯，而石墨烯邊緣衍生物則發生脫邊緣官能團的反應而轉化為石墨烯。所述設定氣氛是指惰性氣氛、還原性氣氛或者真空狀態。惰性氣氛是指氣體不與石墨烯衍生物反應的氣體如氮氣、氦氣、氬氣；還原性氣氛是指氣體中含有能夠還原石墨烯衍生物的氣體如氫氣、醇類、烷烴類氣體；真空狀態是指氣壓小于4KPa(相對真空度小于-20KPa)。所述設定時間是指載體復合物以設定速度通過一定尺寸的微波加熱區而確定加熱時間，時間一般少于30秒。所述載體復合物離開微波加熱區并被冷卻是指通過冷的氛圍而冷卻載體復合物。所述微波加熱處理可以重復即可以多次微波高溫處理石墨烯衍生物層。所述將石墨烯衍生物溶液涂布在選定的無機非金屬平面載體表面形成表面涂布了石墨烯衍生物層的載體復合物，隨后在設定氣氛下使得載體復合物以設定速度運動通過微波加熱區域并使得其表面石墨烯衍生物層以設定時間被微波加熱處理轉化為石墨烯層，隨后載體復合物離開微波加熱區并被冷卻,然后載體復合物通過擠壓處理的系列過程可以重復即可以多次涂布石墨烯衍生物并進行微波高溫處理以獲取增厚的石墨烯層。所述涂布包括浸涂、噴涂、刷涂、泡沫涂布、層層組裝涂布、接觸涂布。有益效果：本專利技術與現有技術相比，具有以下優點：本申請首次將能夠快速加熱的微波技術與石墨烯衍生物微波吸收特性及石墨烯高的導熱能力和無機非金屬平面載體耐高溫且其表面石墨烯層的熱量易于被快速交換轉移的特性結合，通過設定表面涂布石墨烯衍生物層的載體復合物在微波加熱區的運動速度并在微波加熱后載體復合物即進入冷卻區進行冷卻從而精確控制載體復合物上石墨烯本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，首先配制石墨烯衍生物溶液，然后將石墨烯衍生物溶液涂布在選定的無機非金屬平面載體表面形成表面涂布了石墨烯衍生物層的載體復合物，隨后在設定氣氛下使得載體復合物以設定速度運動通過微波加熱區并使得其表面石墨烯衍生物層以設定時間被微波加熱處理轉化為石墨烯層，隨后載體復合物離開微波加熱區并被冷卻,然后載體復合物通過擠壓處理即可獲得具有良好導電能力的石墨烯層覆蓋載體的復合材料，分離石墨烯層及載體即可以獲取獨立支撐的石墨烯薄膜。

【技術特征摘要】
1.一種石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，首先配制石墨烯衍生物溶液，然后將石墨烯衍生物溶液涂布在選定的無機非金屬平面載體表面形成表面涂布了石墨烯衍生物層的載體復合物，隨后在設定氣氛下使得載體復合物以設定速度運動通過微波加熱區并使得其表面石墨烯衍生物層以設定時間被微波加熱處理轉化為石墨烯層，隨后載體復合物離開微波加熱區并被冷卻,然后載體復合物通過擠壓處理即可獲得具有良好導電能力的石墨烯層覆蓋載體的復合材料，分離石墨烯層及載體即可以獲取獨立支撐的石墨烯薄膜。2.根據權利要求1所述的一種石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于所述石墨烯衍生物溶液是指石墨烯的氧化物溶液，包括氧化石墨烯溶液、還原氧化石墨烯溶液及石墨烯邊緣衍生物溶液。3.根據權利要求1所述的一種石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于所述無機非金屬平面載體是無機非金屬的片、布、板或者紙；其材質為玻璃片、玻璃纖維布、玻璃纖維板、石棉板、石棉布、石棉紙、陶瓷纖維布、硅酸鋁纖維紙或硅酸鋁纖維布。4.根據權利要求1所述的一種石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于所述石墨烯層碳含量大于90％。5.根據權利要求1所述的一種石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于所述石墨烯衍生物層以設定時間被微波加熱處理轉化為石墨烯層是指石墨烯衍生物吸收微波而升溫并在設定氣氛下導致氧化的石墨烯被還原轉化為石墨烯，而石墨烯邊...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張繼中，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32