[发明专利]一种大尺寸形状比石墨烯微片的制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯微片的制备方法，特别涉及一种大尺寸形状比石墨烯微片的制备方法及其用途。

背景技术

石墨烯微片一般指碳层数多于10层、厚度在5-100纳米范围内的超薄的石墨烯层状堆积体。在有的文献中，也称为GrapheneNanosheets.石墨烯微片保持了石墨原有的平面型碳六元环共轭晶体结构，具有优异的机械强度、导电、导热性能，以及良好的润滑、耐高温和抗腐蚀特性。相对于普通石墨，石墨烯微片的厚度处在纳米尺度范围内，但其径向宽度可以达到数个到数十个微米，具有超大的形状比(直径/厚度比)。石墨烯微片，即为多层石墨烯结构，但石墨烯的特性，比如导电、导热、透光、柔软性等得到很好保持，可以作为一种工业原材料广泛地添加到现有的各种基础材料中，对现有材料的性能进行改进。石墨烯微片由于其拥有的优良特性，其应用领域非常广阔，譬如提高塑胶的导热及散热性能，塑胶导电及抗静电改性，增强塑胶的强度，和改善塑胶的耐磨、润滑性能及耐腐蚀性等。由于具有纳米厚度，容易与其它材料如聚合物材料均匀复合，并形成良好的复合界面，石墨烯微片可以将石墨烯的高强度、润滑、耐高温以及导电特性带到复合材料当中，从而可以设计、制备高性能复合材料。石墨烯复合材料、石墨烯塑料、石墨烯橡胶、石墨烯导电油墨、石墨烯涂料、石墨烯吸波隐形功能板、石墨烯散热器件、石墨烯动力电池、石墨烯功能涂层、超级电容器、海水淡化脱盐装置等都是很好的应用。

当前来说，石墨烯微片应用于复合材料有三个特点：(1)石墨烯表面的皱褶和缺陷增强了与聚合物基底的结合，利于界面间载荷传递；(2)石墨烯具有高比表面积，上下表面可以被充分利用；(3)石墨烯的独特二维结构可有效阻碍裂纹扩散，从而增强复合材料的断裂韧性。因此，研究大形状比(大尺寸和少原子层)的石墨烯的可控制备对于其复合材料的应用，尤其是宏观力学性质的改善，有着积极的效果。

目前国内出售石墨烯微片的厂商主要有常州第六元素有限公司、南京吉仓纳米科技科技有限公司、浙江宁波墨西科技有限公司等，其制备方法包含热还原氧化法和溶剂法等。主要产品有粉末和浆料两种形式，可应用在药物、检测、催化剂、导电及导热领域等。浙江宁波墨西科技有限公司当前已扩建年产300吨石墨烯微片的生产线，价格降到3元/克；他们的Morsh-P2产品包含较少层数的石墨烯(平均厚度3.5nm)，直径在5-10um之间，但无法精确地进行微观厚度或尺寸控制。美国XG技术有限公司可精确量产直径15和25um两种系列的不同石墨烯微片，不过厚度较大，分别分布在6-8nm(M级别)或15nm(H系列)。超大形状比的10层以下石墨烯微片的可控制备目前在国内尚无成熟方法。

利用激光加热还原氧化石墨烯溶液(或旋涂液)以及在此基础上的图案化制备曾被多次报道过，但之前所用方法需要激光直接照射溶剂中分散的氧化石墨烯，不仅还原后的石墨烯容易团聚，而且溶液中自身杂质或产生的弱酸物质可能会阻止氧化石墨烯边缘的部分羧基还原，从而无法获得更大尺寸的石墨烯微片。事实上，利用传统的溶液照射法还原氧化石墨烯对于产物原子层数或大小的精确可控是相当困难的。

在另一方面，石墨烯复合材料尤其是基于石墨烯的聚合物复合材料的制备，需要一些新的技术介入。对于化学还原的石墨烯，因其平面形貌和层间相互作用容易发生层状堆积；当前一种有效的解决途径是通过添加表面活性剂或与聚合物在还原前事先混合来避免石墨烯之间的结合。由于石墨烯在面内具有sp2杂化结构，通常与聚合物之间的非共价键结合很弱，因而化学修饰石墨烯或者氧化石墨烯比纯石墨烯材料更适合作为增强相，但是化学修饰和氧化石墨烯面内性质的降低对于复合结构本身设计提出新的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决上述不足，提出一种制备大形状比石墨烯微片的方法，并在此基础上发展制备掺杂石墨烯和石墨烯复合材料的新路径。其特点在于将激光精细加工的可控参数转为影响成品尺寸及厚度的关键变量，利用现代激光技术的快速加热和局域化改性的优点来细分调节石墨烯微区形貌、性能和大小，并结合多元成分靶材制备相应掺杂或复合结构。

实现本发明目的的技术方案是：一种大尺寸形状比石墨烯微片的制备方法；具体为如下步骤：(1)将氧化石墨烯纸或其复合材料放置于真空石英管内；采用激光器对样品进行快速扫描加热还原；(2)测试成品。

上述的大尺寸形状比石墨烯微片的制备方法，所述步骤(1)为将氧化石墨烯纸或其复合材料粘在支架上，放入石英管内，抽取真空并随即通入高纯氢气；打开激光器，并让激光聚焦在氧化石墨烯纸或其复合材料表面，利用数控软件对样品进行快速扫描和图案化处理。