一種高取向石墨烯膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高取向石墨烯膜的制備方法，包括以下步驟：首先制備石墨烯或氧化石墨烯的分散液，然后將石墨烯或氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場取向的方法，獲得高取向的石墨烯或氧化石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，并將高取向的石墨烯或氧化石墨烯分散液干燥，獲得高取向石墨烯膜或氧化石墨烯膜。本發(fā)明方法的優(yōu)點是制膜方法簡便、工藝簡單，制得的石墨烯膜微結構規(guī)整，具有很高的取向度，可以應用于許多領域。
【專利說明】
一種高取向石墨烯膜的制備方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及石墨稀膜的制備領域，尤其是涉及一種高取向石墨稀膜的制備方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯具有已知材料最高的強度以及優(yōu)異的導電性和導熱性，是目前最理想的二維碳納米材料，在復合材料、電子器件、能量存儲等領域具有廣闊的應用前景(Science,2008,321,385-388)。宏觀的石墨烯膜是納米級石墨烯的主要應用形式之一。
[0003]石墨烯膜的制備基本可以分為合成法和組裝法兩大類。合成法是指通過化學氣相沉淀法、外延生長法和化學合成法等方法，可以制備納米級厚度的石墨烯膜。組裝法是指以石墨為原料，通過機械剝離法、球磨法、超聲輔助剝離法和氧化剝離法制備石墨烯原料，再通過宏觀組裝和溶液組裝制備宏觀的石墨烯膜。通過石墨烯或氧化石墨烯溶液的抽濾法、刮膜法、旋涂法、噴涂法和浸涂法等組裝工藝可以制備宏觀石墨烯膜。
[0004]但是，很多石墨烯膜的制備都是利用石墨烯或氧化石墨烯自發(fā)形成液晶的有序性，并沒有對石墨烯液晶體系本身的取向和排列進一步調控，這種有序性在宏觀膜的結構之中難以保持和延續(xù)。通過這些方法難以實現(xiàn)大規(guī)模、結構規(guī)整、高取向的石墨烯膜。制備結構規(guī)整、高性能、高取向的石墨烯膜仍然是一個挑戰(zhàn)。
【發(fā)明內容】
[0005]針對現(xiàn)有技術存在的上述問題，本
【申請人】提供了一種高取向石墨烯膜的制備方法。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術的不足，利用石墨烯和氧化石墨烯液晶對外加電場的響應性，提供了一種基于石墨烯的高取向薄膜的電場取向制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術方案如下:
[0007]本
【申請人】提供了一種高取向石墨烯膜的制備方法，具體步驟如下:
[0008](I)將Ig的石墨烯，20?10g的溶劑混合，超聲分散后得到石墨烯分散液；
[0009](2)將步驟(I)制備得到的石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，獲得高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?1000Hz，強度為50?5000V/m;
[0010](3)將步驟(2)得到的高取向的石墨烯分散液，保持電場對其的作用并干燥，得到尚取向石墨稀月旲；
[0011]步驟(I)所述溶劑由水、N，N-二甲基乙酰胺、四氫呋喃、丁酮、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲亞砜、吡啶、二氧六環(huán)、N，N_ 二甲基甲酰胺、二甘醇中的一種或者多種按照任意比組成。
[0012 ]優(yōu)選的，步驟(I)所述超聲分散的時間為:1O?100分鐘。
[0013]優(yōu)選的，步驟(2)通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?500Hz，強度為50?4000V/m。
[0014]本
【申請人】還提供了一種高取向氧化石墨烯膜的制備方法，具體步驟如下:
[0015](I)將Ig的氧化石墨烯，10?10g的溶劑混合，超聲分散后得到氧化石墨烯分散液；
[0016](2)將步驟(I)得到的氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，獲得高取向的氧化石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為1?1000Hz，強度為 50 ?5000V/m;
[0017](3)將步驟(2)得到的高取向的氧化石墨烯分散液，保持電場對其的作用并干燥，獲得尚取向氧化石墨稀月旲；
[0018](4)將步驟(3)獲得的氧化石墨烯膜在還原劑中還原，洗滌干燥后得到高取向石墨烯膜；
[0019]步驟(I)所述溶劑由水、N，N_ 二甲基乙酰胺、四氫呋喃、丁酮、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲亞砜、吡啶、二氧六環(huán)、N，N-二甲基甲酰胺、二甘醇中的一種或者多種按照任意比組成。
[0020]優(yōu)選的，步驟(I)所述超聲分散的時間為:5?50分鐘。
[0021]優(yōu)選的，步驟(2)通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?500Hz，強度為10?2000V/m。
[0022]所述的還原劑選自質量分數(shù)為1%-40%的水合肼、質量分數(shù)為1%_40%的硼氫化鈉水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的苯肼水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的氫溴酸水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的茶多酚水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的尿素水溶液、質量分數(shù)為I % -20 %的硫代硫酸鈉水溶液、質量分數(shù)為I % -5 %的氫氧化鈉水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的氫氧化鉀水溶液、質量分數(shù)為5 % -50 %的維生素C水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的葡萄糖水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的氫碘酸水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的醋酸水溶液、或質量分數(shù)為I % -40 %的苯酚水溶液。
[0023]本發(fā)明有益的技術效果在于:
[0024]本發(fā)明制備得到的高取向石墨烯膜由石墨烯沿平面方向排列堆積而成，厚度為I?300微米，拉伸強度為100?900MPa，斷裂伸長率為0.3?15%，導電率大于100003/111，熱導率為 10?2000W/mK。
[0025]該方法具有以下優(yōu)點:
[0026](I)石墨烯或氧化石墨烯的初級原料為石墨，原料來源廣泛、易得、成本低廉，不需要添加其他輔助性材料；
[0027](2)基于溶液澆鑄的改進方法制備石墨烯膜，操作快速簡便、綠色環(huán)保，可以大規(guī)模連續(xù)化制備；
[0028](3)石墨烯向列相液晶具有獨特的響應性，外加電場頻率和強度可控，制備的石墨烯膜取向度可以自由控制；;
[0029](4)成膜過程中，仍然保持電場作用，有利于保持石墨烯片的取向性，制得的石墨烯膜有很高的強度，熱導率和電導率。
【附圖說明】
[0030]圖1為電場誘導取向石墨稀液晶的不意圖；
[0031 ]圖2為電場下溶液澆鑄石墨烯膜的示意圖；
[0032]圖3為石墨烯膜斷面的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖，對本發(fā)明進行具體描述。
[0034]如圖1?2所不，利用石墨稀液晶對外加電場的響應性將取向無規(guī)的石墨稀液晶轉變?yōu)殚L程有序的取向結構。同時，在石墨烯膜澆鑄成型的過程中，仍然保持一定的電場作用，有利于石墨烯膜規(guī)整取向結構的保持和形成。
[0035]下面結合實施例對本發(fā)明作具體描述，本實施例只用于對本發(fā)明做進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據(jù)上述發(fā)明的內容做出一些非本質的改變和調整，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0036]實施例1:
[0037](l)2g石墨烯和50g的N-甲基吡咯烷酮，于30°C以50KHz的超聲處理2小時，得到石墨稀溶液；
[0038](2)將步驟(I)得到的石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過頻率為1000Hz，強度為5000V/m的外加電場對溶液取向100分鐘，獲得高取向的石墨烯分散液；
[0039](3)將步驟(2)得到的高取向的石墨烯分散液，保持電場對其的作用并干燥，得到尚取向石墨稀月旲；
[°04°] 如圖3所示，經(jīng)過以上步驟，制備的石墨稀膜厚度為10微米，拉伸強度為480MPa，斷裂伸長率為4%，導電率大于10000S/m，熱導率為1500W/mK，同時有良好的韌性。
[0041 ] 實施例2:
[0042](I)將2g石墨烯和120g的N-甲基吡咯烷酮，于25°C以30KHz的超聲處理I小時，得到石墨烯溶液。
[0043](2)將步驟(I)得到的石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過頻率為200Hz，強度為400V/m的外加電場對溶液取向70分鐘，獲得高取向的石墨烯分散液；
[0044](3)將步驟(2)得到的高取向的石墨烯分散液，保持電場對其的作用并干燥，得到尚取向石墨稀月旲；
[0045]經(jīng)過以上步驟，制備的石墨烯膜厚度為80微米，拉伸強度為180MPa，斷裂伸長率為6%，導電率大于10000S/m，熱導率為1000W/mK，同時有良好的韌性。
[0046]實施例3:
[0047](I)將0.lg氧化石墨烯和3g去離子水混合，于20°C以40KHz的超聲處理10小時，得到氧化石墨烯分散液；
[0048](2)將步驟(I)得到的氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過頻率為1000Hz，強度為2000V/m的外加電場對溶液取向100分鐘，獲得高取向的氧化石墨烯分散液；
[0049](3)將步驟(2)得到的高取向的氧化石墨烯分散液，保持電場對其的作用并干燥，得到高取向氧化石墨稀膜；
[0050](4)將步驟(3)獲得的氧化石墨烯膜在質量分數(shù)為20%硫代硫酸鈉水溶液中還原，洗滌干燥后得到高取向石墨烯膜。
[0051 ]經(jīng)過以上步驟，制備的石墨烯膜厚度為5微米，拉伸強度為900MPa，斷裂伸長率為3%，導電率大于10000S/m，熱導率為500W/mK。
[0052]實施例4:
[0053](1)將^氧化石墨烯和15(^四氫呋喃混合，于20°(:以501(取的超聲處理0.1小時，得到氧化石墨烯溶液。
[0054](2)將步驟(I)得到的氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過頻率為320Hz，強度為500V/m的外加電場對溶液取向20分鐘，獲得高取向的氧化石墨烯分散液；
[0055](3)將步驟(2)得到的高取向的氧化石墨烯分散液，保持電場對其的作用并干燥，得到高取向氧化石墨稀膜；
[0056](4)將步驟(3)獲得的氧化石墨烯膜在質量分數(shù)為25%葡萄糖水溶液中還原，洗滌干燥后得到高取向石墨烯膜。
[0057]經(jīng)過以上步驟，制備的石墨烯膜厚度為15微米，拉伸強度為600MPa，斷裂伸長率為3%，導電率大于10000S/m，熱導率為600W/mK。
[0058]實施例5:
[0059](I)將Ig氧化石墨烯和25g的N，N-二甲基甲酰胺、25g的丙酮混合，于20°C以50KHz的超聲處理I小時，得到氧化石墨烯溶液。
[0060](2)將步驟(I)得到的氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過頻率為320Hz，強度為1000V/m的外加電場對溶液取向20分鐘，獲得高取向的氧化石墨烯分散液；
[0061](3)將步驟(2)得到的高取向的氧化石墨烯分散液，保持電場對其的作用并干燥，得到高取向氧化石墨稀膜；
[0062](4)將步驟(3)獲得的氧化石墨烯膜在質量分數(shù)為25 %葡萄糖水溶液中還原，洗滌干燥后得到高取向石墨烯膜。
[0063]經(jīng)過以上步驟，制備的石墨烯膜厚度為15微米，拉伸強度為600MPa，斷裂伸長率為3%，導電率大于10000S/m，熱導率為600W/mK。
【主權項】
1.一種高取向石墨稀膜的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)將Ig的石墨烯，20?10g的溶劑混合，超聲分散后得到石墨烯分散液； (2)將步驟(I)制備得到的石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，獲得高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為1?I OOOHz，強度為50?5000V/m; (3)將步驟(2)得到的高取向的石墨烯分散液，保持電場對其的作用并干燥，得到高取向石墨稀膜； 步驟(I)所述溶劑由水、N，N-二甲基乙酰胺、四氫呋喃、丁酮、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲亞砜、吡啶、二氧六環(huán)、N，N-二甲基甲酰胺、二甘醇中的一種或者多種按照任意比組成。2.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(I)所述超聲分散的時間為:10?100分鐘。3.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(2)通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?500Hz，強度為50?4000V/mo4.一種高取向氧化石墨稀膜的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)將Ig的氧化石墨烯，10?10g的溶劑混合，超聲分散后得到氧化石墨烯分散液； (2)將步驟(I)得到的氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，獲得高取向的氧化石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?1000Hz，強度為50?5000V/m; (3)將步驟(2)得到的高取向的氧化石墨烯分散液，保持電場對其的作用并干燥，獲得尚取向氧化石墨稀月旲； (4)將步驟(3)獲得的氧化石墨烯膜在還原劑中還原，洗滌干燥后得到高取向石墨烯膜； 步驟(I)所述溶劑由水、N，N-二甲基乙酰胺、四氫呋喃、丁酮、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲亞砜、吡啶、二氧六環(huán)、N，N-二甲基甲酰胺、二甘醇中的一種或者多種按照任意比組成。5.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(I)所述超聲分散的時間為:5?50分鐘。6.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(2)通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?500Hz，強度為10?2000V/mo7.根據(jù)權利要求4所述的一種高取向石墨烯膜的制備方法，其特征在于: 所述的還原劑選自質量分數(shù)為1%_40%的水合肼、質量分數(shù)為1%-40%的硼氫化鈉水溶液、質量分數(shù)為I %-40 %的苯肼水溶液、質量分數(shù)為I %-40 %的氫溴酸水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的茶多酚水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的尿素水溶液、質量分數(shù)為I %-20 %的硫代硫酸鈉水溶液、質量分數(shù)為I 的氫氧化鈉水溶液、質量分數(shù)為I %_40%的氫氧化鉀水溶液、質量分數(shù)為5 %-50 %的維生素C水溶液、質量分數(shù)為I % -40 %的葡萄糖水溶液、質量分數(shù)為1%_40%的氫碘酸水溶液、質量分數(shù)為1%-40%的醋酸水溶液、或質量分數(shù)為 I %-40%的苯酚水溶液。
【文檔編號】C01B31/04GK106044753SQ201610362027
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】劉崢, 王勤生, 楊永強, 劉淵, 王榮霞, 文煜
【申請人】江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院