[发明专利]一种面内各向同性的高取向密实化石墨烯薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种面内各向同性的高取向密实化石墨烯薄膜的制备方法，首先将氧化石墨烯(GO)溶液经真空抽滤制得自支撑GO薄膜，然后在正交双轴外力牵引下，将该GO薄膜浸泡于乙醇中进行取向，而后置于氢碘酸(HI)和乙醇的混合溶液中进行化学还原，从而制得面内各向同性的高取向密实化石墨烯(BS‑rGO)薄膜，该BS‑rGO薄膜的最高取向度为0.913，孔隙率为11.5％，相应的拉伸强度为508MPa，杨氏模量为15.8GPa，韧性为7.8MJ/m³，电导率为1202S/cm，对频率在0.3～18GHz的电磁波的屏蔽系数约为35.1dB。

技术领域

本发明涉及一种面内各向同性的高取向密实化石墨烯薄膜的制备方法，属于石墨烯薄膜材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯作为一种二维单原子层碳膜，具有优异的力学和电学性能，在航空航天、汽车、柔性电子器件等领域具有广泛的应用(Adv.Mater.2016,28,7862.)，因此，将微米尺度的石墨烯纳米片组装成宏观高性能的石墨烯薄膜具有重要意义。由于石墨烯纳米片具有明显的褶皱，因此，其在组装的过程中易发生非对齐错位堆积，且堆积不密实，石墨烯片层之间存在大量的孔隙，这极大降低了石墨烯薄膜的物理化学性能，从而限制了其实际应用。因此，如何制备高取向密实化石墨烯薄膜，是实现石墨烯大规模商业应用的一个主要技术瓶颈。

在过去几年，科学家们通过外力诱导取向和界面交联等策略，已经制备了一些高取向密实化石墨烯薄膜。例如，Akbari等人采用手术刀刮涂法(Nat.Commun.2016,7,1089.)，通过剪切力，制备了高取向GO薄膜，大幅提升了GO薄膜的渗透率和分离性能；任文才等人采用连续离心浇铸法(Nat.Commun.2018,9,3484.)，通过离心力和剪切力，制备了高取向密实化还原氧化石墨烯(rGO)薄膜，其拉伸强度高达660MPa，电导率约为650S/cm；高超等人基于GO层间插入溶剂分子的塑化效应(Nat.Commun.2020,11,2645.)，制备了高取向rGO薄膜。值得一提的是，这些外力诱导取向策略的取向力均具有方向性，理论上只能在单一方向提升二维石墨烯纳米片的取向度，因此难以制备面内各向同性的石墨烯薄膜。

另一方面，程群峰等人基于π键和共价键协同交联作用(Proc.Natl.Acad.Sci.USA2018,115,5359.)，提升了石墨烯纳米片的取向度、密实度和层间界面作用，从而使制得的石墨烯薄膜的拉伸强度、韧性和电导率分别高达945MPa、21MJ/m³和512S/cm。此外，他们也基于长链π键交联作用(Matter 2019,1,389.)，制备了超强、取向石墨烯薄膜，其拉伸强度和电导率分别为1054MPa和1192S/cm。值得一提的是，这种界面交联诱导取向力较小，且不易调节，因此不能大幅度提升石墨烯纳米片的取向度和密实度。

因此，需要发展新型取向策略，可控调节石墨烯纳米片的取向度和密实度，从而制备面内各向同性的高性能石墨烯薄膜。截至目前，还没有利用外力牵引制备面内各向同性的高取向密实化石墨烯薄膜的文献和专利报道。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种面内各向同性的高取向密实化石墨烯薄膜的制备方法，制得的石墨烯薄膜具有面内各向同性的高取向密实化结构、拉伸力学和电学性能，且其取向度和密实度可控调节。

本发明是通过下述技术方案实现的：一种面内各向同性的高取向密实化石墨烯薄膜的制备方法，首先采用真空抽滤法将GO溶液组装成自支撑的GO薄膜；然后将GO薄膜在正交双轴拉伸下，浸泡于乙醇溶液中进行取向；而后继续在正交双轴拉伸下，将其浸泡于HI和乙醇的混合溶液中，通过化学还原作用恢复石墨烯二维碳平面sp²杂化的共轭结构，从而制得面内各向同性的高取向密实化石墨烯(BS-rGO)薄膜，具体实现步骤如下：

(1)采用搅拌超声方法将氧化石墨烯(GO)配成均匀的GO水溶液；

(2)通过真空抽滤法，将步骤(1)得到的所述GO水溶液组装成自支撑的GO薄膜；