[发明专利]“缝合法”制备大面积石墨烯材料的方法

说明书

本发明涉及一种“缝合法”制备大面积石墨烯材料的方法，制备方法如下：将氧化石墨烯按质量比1：100～600的比例加入装有乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、对苯二胺之一的锥形瓶中。然后用用超声分散机分散30‑60min，待分散均匀后立即移入三口烧瓶中，在搅拌情况下，升温，控制反应温度在100‑200℃之间，反应时间为20‑24h。反应完后取反应溶液均匀涂覆在事先打磨光洁，并用无水乙醇清洗烘干的钢片上，放置于烘箱中120℃烘干3h即可得到被“缝合”成连续结构的石墨烯膜。本发明创新性地提出利用缝合剂将微米级的氧化石墨烯“缝合”成大面积、高导热、可在金属表面牢固附着的石墨烯膜的方法。

技术领域

本发明涉及一类大面积石墨烯材料的制备方法，主要用于运行在苛刻腐蚀环境下的油气田开采、石油炼制过程和化工企业传热金属设备、管道的腐蚀防护领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)作为一种新型的二维纳米材料，其基本结构单元为碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体.是有机材料中最稳定的苯六元环。这种特殊结构使其在机械强度、载流子迁移率、热导率，量子霍尔效应等方面表现出许多现有材料不具备的优异性质。尤其是其热导率可达5000w·m^-1·K^-1，是金刚石的3倍(超高导热石墨片导热系数为150-1500w·m^-1·K^-1，石墨粉只有1.5w·m^-1·K^-1)。单层无缺陷石墨烯具有优异的屏蔽性能，能阻隔氧气、水分子等腐蚀因子到达金属基体表面，被认为是已知最薄的腐蚀防护涂层。自2004年被英国科学家发现以来已成为备受瞩目的前沿和热点。在这个领域内，研究者为了取得知识产权的先机而“占坑”布局，截至2014年底其相关研究的专利就有5047件，发表的sci论文更多，但基本局限于实验室研究，在实现工业化的道路上还有很长的一段路要走。

目前，石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、晶体外延生长法、化学氧化法、化学气相沉积法和有机合成等。

机械剥离法虽然可以获得晶体结构比较完整的石墨烯，但得到的石墨烯尺寸很小，一般在10微米-100微米之间，存在产率低和成本高的不足，不能满足工业化和规模化生产要求。

化学气相沉积法(CVD)是将乙烯或乙炔等气体导入到一个反应腔内，让这些气体在高温下分解，经过冷却后，碳原子就沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学腐蚀法除去金属基底，或用卷对卷的方法将其转移到高分子薄膜上。CVD制备的石墨烯，具有可扩展性、高电导性，具有大规模生产的潜力，可以成功地应用于高端电子行业。虽然CVD能满足规模化制备大面积、高质量的石墨烯要求(中航工业航材院石墨烯及应用研究中心利用该研究方法制备的大尺寸石墨烯膜为200mm×200mm)，但在现阶段由于其成本较高和工艺复杂等缺点，限制了这种方法在石墨烯制备中的应用。

在对石墨烯的薄膜面积没有过高要求的领域，作为化学氧化法的氧化石墨还原法是制备石墨烯最常用的方法之一。在强氧化剂作用下，扩张石墨层间距，经在水溶液或有机溶剂中超声处理后形成均匀分散的单层氧化石墨烯，再利用还原剂还原氧化基团制得石墨烯。价格可降至10元/克以下，成品多为粉材、浆料，可间接成膜。但这种方法得到的主要是石墨烯粉体，缺陷非常多，电学、力学性能都较差，适合中低端应用。

还有一种主要方法就是溶剂剥离法，原理是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的分子作用力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。此方法不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构，可以制备高质量的石墨烯。由于整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷，为其在微电子学、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景，缺点是产率很低。