一种多通道石墨烯薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多通道石墨烯薄膜及其制备方法，该方法包括以下步骤：(1)电纺衬底纤维膜：在收集极上电纺高分子衬底纤维膜；(2)材料复合：在衬底纤维膜表面同步电纺、电喷制备氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜；(3)高温处理：高温处理还原氧化石墨烯、去除高分子聚合物成分。由该方法制得的石墨烯薄膜内部密布线形中空通道，具有比表面积大的优点，且制备方法简单，成本低，具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种多通道石墨烯薄膜及其制备方法
本专利技术属于石墨烯材料制备
，具体涉及一种多通道石墨烯薄膜及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是碳原子通过sp2杂化形式形成的二维晶体结构，具有高导电导热性、高电子迁移率、极高的机械强度和高比表面积等优异性能。由于制备技术限制，现在制备的石墨烯片还处于微观尺度，并不能直接用于实际的应用，因此如何将具有优异性能的微观石墨烯片，组装成具有实际应用宏观结构成为科研领域的一个研究热点。到目前为止，石墨烯纳米片已经被成功组装成宏观的一维石墨烯纤维、二维石墨烯薄膜/纸和三维网络结构石墨烯体等。其中，二维结构的石墨烯薄膜比较容易与不同种类的客体材料结合，因此石墨烯薄膜在传感器、光电器件和储能装置中具有广泛的应用前景。目前，石墨烯薄膜的制备技术主要包括：真空抽滤、液相电泳沉积以及静电喷雾沉积等方法都可以制得二维的石墨烯薄膜。如中国专利CN201510480016.1公开了一种石墨烯薄膜的制备方法，通过步骤：将氧化石墨烯超声搅拌溶解、离心分离大颗粒、电喷涂布、还原剂还原、剥离收卷，制得石墨烯薄膜。但由上述方法制得的石墨烯薄膜会因为石墨烯片层之间较强的范德瓦尔斯力而引起石墨烯片层间地不可逆堆积，从而导致石墨烯薄膜的比表面积较低，限制了石墨烯薄膜的应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术缺陷，提供一种多通道石墨烯薄膜及其制备方法，该石墨烯薄膜具有比表面积大的优点，且制备方法简单，成本低，具有很好的应用前景。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种多通道石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)电纺衬底纤维膜：配制高分子聚合物纺丝前驱液，调节纺丝参数，用静电纺丝法在静电纺丝装置的收集极上制备高分子微纳米纤维，待形成一层高分子微纳米纤维膜，即得衬底纤维膜；(2)材料复合：持续步骤(1)的静电纺丝制备高分子纳米纤维过程的同时用静电喷雾装置向步骤(1)制得的衬底纤维膜上喷涂氧化石墨烯，待衬底纤维膜表面形成氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜后，停止静电纺丝和静电喷雾过程；(3)高温处理：将步骤(2)所得样品自收集极上取下，在还原气氛下进行高温处理，还原氧化石墨烯同时同时热分解去除样品中的电纺高分子聚合物成分(包括衬底高分子微纳米纤维膜和复合材料内部的高分子微纳米纤维)即得多通道石墨烯薄膜。本专利技术的石墨烯薄膜的制备方法简单，成本低，所得石墨烯薄膜比表面积有效增大。该方法以静电纺丝法制备的高分子纳米纤维膜为衬底纤维膜，再通过同步进行的氧化石墨烯静电喷雾和高分子纳米纤维静电纺丝在衬底纤维膜表面附着一层氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜，最后将氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜连同衬底纤维膜一起进行高温处理，高温处理可还原氧化石墨烯，同时高温处理使石墨烯中的高分子聚合物热分解，从而去除衬底纤维膜和复合薄膜内部的高分子纳米纤维，获得石墨烯薄膜。由于高分子聚合物的热分解，使所得的石墨烯薄膜内部原有的高分子纳米纤维位置形成线形中空通道，使所得的石墨烯薄膜内部形成密集排布的线形中空通道，从而有效增加了石墨烯薄膜的比表面积。作为优选，所述的步骤(1)的高分子聚合物为尼龙、聚乙烯吡络烷酮、聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己内酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。作为优选，步骤(1)中所述的收集极为滚筒收集极，所得衬底纤维膜由沿相同方向平行有序排列的高分子微纳米纤维构成。以带有滚筒收集极的静电纺丝装置，通过调整纺丝参数可在静电纺丝过程中制得沿同一方向有序排列的高分子微纳米纤维，保持纺丝参数不变的情况下，在后续的步骤(2)中通过同步进行氧化石墨烯静电喷雾和高分子纳米纤维静电纺丝所制得的氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜内部的电纺高分子纳米纤维也是沿同一方向有序排列的，因此，经步骤(3)高温处理后石墨烯薄膜内部形成的线形中空通道也是沿同一方向有序排列的，这种材料内部明显的取向性，可使制得的石墨烯薄膜在力学和电学性能上存在明显的各向异性，从而扩展石墨烯薄膜的功能性和应用范围。作为优选，所述的步骤(1)为：尼龙和甲酸按质量比3:22的比例混合，搅拌均匀得纺丝前驱液，将所得纺丝前驱液加入静电纺丝装置的储液机构中，所述静电纺丝装置以滚筒作为收集极，调节纺丝参数为纺丝电压12kV，纺丝距离15cm，滚筒转速80r/min，纺丝5min后在滚筒收集极上形成一层尼龙微纳米纤维膜，即得衬底纤维膜。作为优选，步骤(1)所述的静电纺丝装置的储液机构和步骤(2)所述的静电喷雾装置的储液机构均设有液体推进部件。作为优选，所述的步骤(2)为：持续步骤(1)的静电纺丝制备高分子纳米纤维过程，保持纺丝参数不变，将氧化石墨烯分散液置于静电喷雾装置的储液机构中，调节静电喷雾参数为喷雾电压5kV～15kV，喷雾距离3cm～10cm，液体推进部件对石墨烯分散液的推进速率为3ul/min～10ul/min，开启静电喷雾装置，用静电喷雾装置向步骤(1)制得的衬底纤维膜上喷涂氧化石墨烯，静电纺丝和静电喷雾同步进行40min～60min后，得到附着于衬底纤维膜表面上的氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜。作为优选，步骤(2)所述的氧化石墨烯分散液的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，所含的氧化石墨烯浓度为11.7mg/g。作为优选，步骤(3)所述的还原气氛为氩气，高温处理的保温温度大于或等于高分子聚合物热分解温度，所述的热分解温度为高分子材料热重分析中高分子材料被完全热解时的温度。作为优选，步骤(1)的高分子聚合物为尼龙，步骤(3)为：将步骤(2)所得的氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜连同衬底纤维膜一起从收集极上取下，样品干燥后在氩气气氛中进行高温还原，加热速率为3℃/min～7℃/min，加热至800℃～1000℃，保温时间为60min～90min。本专利技术还公开了由上述方法制得的多通道石墨烯薄膜，石墨烯薄膜内部密布线形中空通道。本申请的石墨烯薄膜内部密集排布的线形中空通道使石墨烯薄膜的比表面积增大，使得该材料具有更好的理化性能，具有更好的应用前景。作为优选，所述的线形中空通道沿相同方向平行有序排列。石墨烯薄膜内部的线形中空通道沿同一方向有序排列的，这种材料内部明显的取向性，可使制得的石墨烯薄膜在力学和电学性能上存在明显的各向异性，从而扩展石墨烯薄膜的功能性和应用范围。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种多通道石墨烯薄膜及其制备方法，该石墨烯薄膜具有比表面积大的优点，且制备方法简单，成本低，具有很好的应用前景。具体而言：(1)本专利技术的石墨烯薄膜的制备方法简单，成本低，所得石墨烯薄膜比表面积有效增大。该方法以静电纺丝法制备的高分子纳米纤维膜为衬底纤维膜，再通过同步进行的氧化石墨烯静电喷雾和高分子纳米纤维静电纺丝在衬底纤维膜表面附着一层氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜，最后将氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜连同衬底纤维膜一起进行高温处理，高温处理可还原氧化石墨烯，同时高温处理使石墨烯中的高分子聚合物热分解，从而去除衬底纤维膜和复合薄膜内部的高分子纳米纤维，获得石墨烯薄膜。由于高分子聚合物的热分解，使所得的石墨烯薄膜内部原有的高分子纳米纤维位置形成线形中空通道，使所得的石墨烯薄膜内部形成密集排布的线形中空通道，从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多通道石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)电纺衬底纤维膜：配制高分子聚合物纺丝前驱液，调节纺丝参数，用静电纺丝法在静电纺丝装置的收集极上制备高分子微纳米纤维，待形成一层高分子微纳米纤维膜，即得衬底纤维膜；(2)材料复合：持续步骤(1)的静电纺丝制备高分子纳米纤维过程的同时用静电喷雾装置向步骤(1)制得的衬底纤维膜上喷涂氧化石墨烯，待衬底纤维膜表面形成氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜后，停止静电纺丝和静电喷雾过程；(3)高温处理：将步骤(2)所得样品自收集极上取下，在还原气氛下进行高温处理，还原氧化石墨烯同时同时热分解去除样品中的电纺高分子聚合物成分，即得多通道石墨烯薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种多通道石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)电纺衬底纤维膜：配制高分子聚合物纺丝前驱液，调节纺丝参数，用静电纺丝法在静电纺丝装置的收集极上制备高分子微纳米纤维，待形成一层高分子微纳米纤维膜，即得衬底纤维膜；(2)材料复合：持续步骤(1)的静电纺丝制备高分子纳米纤维过程的同时用静电喷雾装置向步骤(1)制得的衬底纤维膜上喷涂氧化石墨烯，待衬底纤维膜表面形成氧化石墨烯/电纺高分子纳米纤维复合薄膜后，停止静电纺丝和静电喷雾过程；(3)高温处理：将步骤(2)所得样品自收集极上取下，在还原气氛下进行高温处理，还原氧化石墨烯同时同时热分解去除样品中的电纺高分子聚合物成分，即得多通道石墨烯薄膜。2.如权利要求1所述的一种多通道石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)的高分子聚合物为尼龙、聚乙烯吡络烷酮、聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己内酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。3.如权利要求1所述的一种多通道石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的收集极为滚筒收集极，所得衬底纤维膜由沿相同方向平行有序排列的高分子微纳米纤维构成。4.如权利要求3所述的一种多通道石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)为：尼龙和甲酸按质量比3:22的比例混合，搅拌均匀得纺丝前驱液，将所得纺丝前驱液加入静电纺丝装置的储液机构中，所述静电纺丝装置以滚筒作为收集极，调节纺丝参数为纺丝电压12kV，纺丝距离15cm，滚筒转速80r/min，纺丝5min后在滚筒收集极上形成一层尼龙微纳米纤维膜，即得衬底纤维膜。5.如权利要求1所述的一种多通道石墨烯薄膜的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩文鹏，龙云泽，燕军祥，李梦菲，宫赫，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37