[发明专利]一种高效制备高定向、高致密二维材料薄膜的方法

说明书

本发明涉及二维材料的制备和应用领域，具体为一种高效制备高定向、高致密二维材料薄膜的方法。采用内表面光滑的圆型管作为浇铸模具，模具高速沿圆周方向旋转时将含有二维材料的溶液倒入模具中，利用离心力将溶液均匀涂覆在模具内表面，在离心旋转过程中，形成促使二维材料在溶液中沿圆周方向层层定向规则排列的剪切力，同时离心力会促使二维材料的高致密堆积，进而得到高定向、高致密的二维材料薄膜。本发明适于石墨烯等各种二维材料及其复合材料薄膜和叠层异质结构薄膜的制备，极大提高薄膜的电学、热学、力学等性能，用于高性能导电/导热薄膜、热管理材料、高强度薄膜、电子/光电子器件、致密储能、气体/离子分离膜和质子传输膜等领域。

技术领域：

本发明涉及二维材料的制备和应用领域，具体为一种利用离心浇铸工艺高效率制备高度定向、高致密二维材料薄膜的新方法。

背景技术：

由于独特的二维结构特征，石墨烯等二维材料具有多种不同于其块体材料的优异物理化学性质，在电子、光电子、柔性显示、传感、储能、催化、分离膜、热管理、功能涂层、复合材料等领域具有广阔的应用前景。然而，由化学剥离法制备的二维材料往往只有数微米大小，因此将其组装成宏观可控的宏观体材料是实现其应用的前提。众所周知，二维材料具有很强的各项异性，其面内和垂直面内方向的物理性质存在巨大的差异。以石墨烯为例，其面内的导电性、导热性和力学性质要远高于垂直于面内方向的性质。因此，将二维材料组装成平面方向定向排列且致密堆积的薄膜材料有利于保持和充分发挥二维材料由其二维结构特征带来的固有的优异的电学、热学和力学等性质。

目前，常用的制备二维材料薄膜的方法主要有真空抽滤法、平板刮涂法、表面喷涂法和层层自组装法。真空抽滤和层层自组装工艺得到的薄膜中二维材料定向性较好，但是这两种方法效率低，不适于大面积较厚薄膜的制备。其它两种工艺虽然制膜效率高，但是驱动二维材料定向自组装的驱动力较小且不可控，得到的薄膜内部二维材料的排列比较混乱。尤其当利用这些方法制备二维材料与高分子复合膜时，由于溶液粘度较大，使得二维材料的自组装定向更加困难。此外，上述方法得到的薄膜的致密度仍待进一步提高，以改善二维材料之间的接触，从而最大程度地将微米尺寸二维材料的本征性能转移到宏观体材料中。综上所述，为了提高二维材料薄膜的性能，目前亟需开发一种高效率且能实现二维材料高度定向、高致密组装的制膜技术，从而促进二维材料的广泛应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种利用离心浇铸工艺高效率制备高度定向、高致密二维材料薄膜的新方法。利用离心力将含有二维材料的溶液均匀涂覆在模具内表面，在离心旋转的过程中，一方面利用液层间的相对运动形成的剪切力，促使二维纳米材料在溶液中沿圆周方向层层定向规则排列，一方面利用离心力促使二维材料致密堆积，进而得到高定向、高致密的二维材料薄膜，有效提高薄膜的各项性能。

本发明的技术方案是：

一种高效制备高定向、高致密二维材料薄膜的方法，该方法采用内表面光滑的圆型管作为浇铸模具，模具高速沿圆周方向旋转时将含有二维材料的溶液倒入模具中，利用离心力将溶液均匀涂覆在模具内表面，在离心旋转的过程中，一方面由于液层间的相对运动，形成促使二维材料在溶液中沿圆周方向层层定向规则排列的剪切力，另一方面离心力促使二维材料高致密堆积，进而得到高度定向、高致密的二维材料薄膜。

所述的高效制备高定向、高致密二维材料薄膜的方法，具体步骤如下：

(1)浇注模具的旋转：将内表面光滑的圆管状模具高速绕轴线旋转，圆管状模具的转速范围为100r/min～50000r/min，形成将溶液均匀粘附在模具内壁上的离心力；

(2)含二维材料溶液的浇铸：将含有二维材料的溶液加入到上述高速旋转的模具内部，通过离心力使溶液均匀涂覆在模具内壁上，在离心旋转过程中，利用相邻液层的相对运动，促使溶液中的二维材料沿圆周方法层层定向排列，利用离心力使二维材料致密堆积，含有二维材料的溶液浓度范围0.1mg/ml～100mg/ml；