[发明专利]一种氧化石墨烯膜的制备方法

说明书

本发明提供一种氧化石墨烯膜的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米金属颗粒分散于去离子水中，得到分散良好的纳米金属溶液；(2)将步骤(1)制备的分散良好的纳米金属溶液加入到氧化石墨烯浆料中，搅拌使其充分接触，得到金属元素复配的氧化石墨烯水性浆料；(3)将步骤(2)得到的金属元素复配的氧化石墨烯水性浆料涂覆在基体上干燥，得到氧化石墨烯膜。

该发明专利申请为分案申请，母案申请号为：202110216034.4，母案名称为:一种抑制石墨烯自支撑膜热膨胀的方法。

技术领域

本发明属于材料合成和应用技术领域，具体涉及一种抑制石墨烯自支撑膜热膨胀的方法。

背景技术

石墨烯是一种仅由碳原子组成的六角形蜂巢晶格的二维纳米材料结构。自从发现以来，由于其具有卓越的力学、光学、电学、热学性能而引起广泛的关注和研究。氧化石墨烯(GO)是石墨烯对应的氧化物，是在石墨烯片层上衔接上羟基、羧基、羰基和环氧基等含氧官能团。正因为GO片层中含有大量的官能团，使得GO片层之间可以通过氢键等自组装堆叠形成了宏观尺寸的膜材料。但氧化石墨烯膜无法直接用于导热导电膜材料，因为GO上的碳原子部分是以sp³杂化的形式存在，能够应用于实现导电导热性质的多余π电子较少，没有多余的自由电子来实现导电导热的功能。而要将GO膜制备成具有高导热导电系数的膜材料，需将氧化石墨烯还原，去除GO片层上的含氧官能团，使GO膜变成石墨烯膜，以此来实现导电导热的功能材料。

工业化制备石墨烯自支撑膜，主流方法是氧化还原法，主要包括两个过程：一是氧化过程，对石墨进行官能团修饰得到GO，提高其在水相中的分散性和组装成膜的规整性；二是热还原过程，将官能团通过还原脱除，更进一步的对石墨烯片层缺陷进行修复。而热还原过程中脱除的官能团，是以水、二氧化碳、一氧化碳等气体的形式释放，导致层间产生气囊结构，减弱了层间相互作用，使得石墨烯膜的传输热、电界面阻力上升，性能下降，更严重是出现膜的粉化以及设备的损坏，大大降低产品的良率。这种热处理过程中由于气体释放导致膜厚度增加的现象，称之为“热膨胀”。热膨胀导致了石墨烯支撑膜良率和性能的显著下降。

如何抑制石墨烯自支撑膜制备过程的热膨胀，一直以来都是行业的难点。高超教授在“Ultrahigh Thermal Conductive yet Superflexible Graphene Films”(DOI:10.1002/adma.201700589)文章中提到由于热膨胀而产生的气囊结构，但是主要是从气囊结构有助于提高膜柔韧性的角度出发，并没有对抑制热膨胀进行阐述，而且这种实验室方法无法应用于大批量工业化制备当中。产业化阶段，关于抑制石墨烯自支撑膜热膨胀的方案技术，目前还没有相关的专利和文献进行报道。针对于其产生原因以及管控方案，都还处于研究的起步阶段。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种抑制石墨烯自支撑膜热膨胀的方法，本发明利用纳米金属颗粒对氧化石墨烯膜进行复配，降低膜在热处理中的膨胀，提高石墨烯自支撑膜的制备良率和热处理产能，降低成本。

为了提高石墨烯自支撑膜的制备良率，本发明采用了将纳米金属颗粒与GO进行复配，以此为基础来制备石墨烯膜，其中的纳米金属颗粒包括但不限于铁、钴、镍、钛、铬的金属单质、氯化物以及氧化物等。具体而言，即在GO浆料制备过程中，将纳米金属颗粒作为热膨胀抑制剂加入到浆料共混搅拌均匀后，再涂覆干燥得到金属复配的GO膜，之后再进行热处理过程得到石墨烯自支撑膜。纳米级金属颗粒可以有效分散在GO片层中，在高温下起到修饰膜孔隙度的作用，从而提高热处理过程中气体脱除的效率，降低热膨胀行为。与此同时，金属在高温下呈现的熔融状态，可以在层间起到固定片层的作用，减少由于层间气压过大导致的片层分离的现象，降低膨胀。

这种使用纳米金属抑制剂复配的方法，可调控性强，且对石墨烯膜的整个制备流程没有引入不利因素，包括搅拌、涂布和热处理等。该方法能够有效抑制石墨烯自支撑膜在热处理中的膨胀，从而提升热处理产能，同时也能提高产品的制备良率和性能。