[发明专利]可调节的石墨烯基膜及其制造方法

说明书

提供了一种石墨烯基膜，其中根据膜的期望应用来调节膜的机械性能、热导率、电导率和/或三维曲率。还提供了使用于石墨烯基膜的真空辅助自组装(VASA)过程加速的方法以及使从石墨烯基分散体去除液体的过程加速的方法。该方法可包括两个还原步骤，以使过滤时间最小化并在低温下基本恢复石墨烯基膜的电学和热学性能。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年4月24日提交的申请号为62/489,335的美国临时专利申请的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

以下通常涉及物理性能可在制造过程中调节的石墨烯基膜。

背景技术

石墨烯在其原始状态下是一种疏水材料。因此，需要进行改性来获得单个石墨烯片的稳定、均匀的分散体。这种分散体对于石墨烯基材料的受控处理是可取的。例如，用石墨烯材料涂覆基材或在聚合物基质中掺入石墨烯片。在这些改性方法中，石墨烯片的氧化是本领域已知的常用技术。这种氧化过程是通过广泛采用的方法(例如，Hummers等人在J.Am.Chem.Soc.1958,80,1339中描述的方法及其修改)在石墨烯片的剥离过程中自然发生的。

作为改性过程结果的氧化石墨烯包括接枝到含氧基团(例如，羟基、羧酸和环氧化物)的单个石墨烯片。随着亲水基团的引入，在应用温和的超声处理后，片材可以容易地分散在水中。如Dikin等人在Nature 2007，448，7152中所描述的，通过过滤介质对这种分散体进行真空过滤可以产生具有极其整齐的层状结构的氧化石墨烯膜。然而，已经发现过滤过程中石墨烯片的堆积会阻碍水流过过滤介质。这导致50μm厚的膜的脱水时间可达数天。这种不可取的脱水时间的例子可以在Compton等人的专利号为8,709,213的美国专利中找到。

还发现，由于多种制造因素，上述方法会生产出机械性能不一致的膜。此外，通过该方法生产的膜不具有期望的原始石墨烯的电学或热学性能。

为了恢复这些性能，氧化石墨烯材料可通过电磁或热还原过程进行化学还原。热学和电磁方法通常会导致接枝到石墨烯片的氧物质快速脱气。脱气导致石墨烯基膜分层，并最终导致其机械性能急剧下降。而且，为了赋予膜期望的电导率，需要非常高的温度。

因此，以下的一个目标是解决至少一个上述缺点或缺陷。

发明内容

人们认识到，需要一种物理性能可调节的石墨烯基膜及制造该石墨烯基膜的方法。在一个示例性方面，提供了一种石墨烯基膜，其中根据膜的期望应用来调节膜的机械性能、热导率、电导率和/或三维曲率。

在另一方面，提供了使用于石墨烯基膜的真空辅助自组装(VASA)过程加速的方法和使从石墨烯基分散体去除液体的过程加速的方法。

在另一方面，该方法涉及两个还原步骤，以使过滤时间最小化并在低温下基本恢复石墨烯基膜的电学和热学性能。

将理解的是，在发明内容部分中描述的方面和特征是非限制性的，说明书和附图中提供了额外的特征和实施例。

附图说明

现在将仅参照附图通过示例的方式对实施方式进行描述，其中：

图1A-1D为用于制造纤维素/氧化石墨烯(GO)复合膜的真空过滤过程的一系列横截面侧视图；

图2为用于制造纤维素/GO复合膜的压力辅助真空过滤过程的横截面侧视图；

图3A-3C为用于制造GO膜的真空过滤过程的一系列横截面侧视图；

图4A-4C为用于制造凝胶化GO膜的真空过滤过程的一系列横截面侧视图；

图5A为部分还原的GO膜的电子显微照片；

图5B为部分还原的凝胶化GO膜的电子显微照片；