一种固体聚合物碳源电化学沉积技术及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种固体聚合物碳源电化学沉积技术及装置，装置主要包括气体排出管、左管塞、直流电源、高温炉、加热管、右管塞、气体通入管、惰性气体定量输出装置、导电棒、夹持装置、尾气处理装置、绝缘密封圈、基体、石英舟和固体聚合物等。本发明专利技术技术利用固体聚合物PE或者PVC等聚烯烃类作为碳源代替甲烷等气体，成本低，更加安全；在制备石墨烯过程中，加入电压电场的影响，提高石墨烯生长制备质量；采用外接电源的方式给夹持装置提供电压电场，同时可采用激光加热使固体聚合物聚烯烃类材料分解。该技术可应用于导电涂层、石墨烯材料的制备，也可直接对器件进行石墨烯导电涂层，使原材料在原有的性能应用上增加导电等性能，可扩大材料的应用领域。

A Solid Polymer Carbon Source Electrodeposition Technology and Device

The invention discloses a solid polymer carbon source electrochemical deposition technology and device, which mainly includes gas discharge pipe, left pipe plug, direct current power supply, high temperature furnace, heating pipe, right pipe plug, gas inlet pipe, inert gas quantitative output device, conductive rod, clamping device, tail gas treatment device, insulation sealing ring, matrix, quartz boat and solid polymer, etc. The technology of the invention uses polyolefins such as solid polymer PE or PVC as carbon source instead of methane and other gases, with low cost and more safety; in the process of preparing graphene, the influence of voltage and electric field is added to improve the quality of graphene growth and preparation; the clamping device is provided with voltage and electric field by external power supply, and the solid polymer polyolefins material can be heated by laser. Decomposition. The technology can be applied to the preparation of conductive coatings, graphene materials, and graphene conductive coatings directly on devices, which can increase the conductivity of raw materials in the original performance applications and expand the application fields of materials.

【技术实现步骤摘要】
一种固体聚合物碳源电化学沉积技术及装置
本专利技术涉及高性能碳素材料制备领域，尤其涉及一种固体聚合物碳源电化学沉积技术及装置。
技术介绍
近年来，高性能碳素材料的研究相当活跃，多种多样的纳米碳材料层出不穷，主要以碳纤维、石墨烯、碳纳米管、富勒烯等材料为主。其中，石墨烯及多层石墨烯材料在材料科学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料目前，针对于石墨烯制备主要采用化学气相淀积(CVD)方法，该方法应用前驱体气体(碳源)主要为甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)等几种烃类气体，通过碳源分子脱氢留下碳原子在金属基底或者非金属基底材料上生长制备出石墨烯或其他碳结构，如专利CN104123999A等。然而甲烷气体属于易燃气体，在制备过程中操作不当易发生危险，危险性较大成本较高，且生长的石墨烯有明显的褶皱，限制了高品质石墨烯的制备及应用。因此，寻找一种新的低成本的碳源材料及高品质制备方法是当前急需要解决的问题。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提出一种固体聚合物碳源电化学沉积技术。本专利技术以聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等固体聚烯烃类材料作为碳源，通入惰性气体排出加热装置中的空气，在惰性气体保护环境中进行制备，利用高温加热裂解使PE等材料中的C-H键与C-C键断裂，最终得到活性碳原子及短碳链，碳链及碳原子在SiO2、Ni、Cu等基体上逐渐沉积、生长制备出石墨烯或石墨涂层。同时，在制备过程中创新加入电压或电场，可以促进碳链及碳原子在基体上稳定、高品质生长。该专利技术技术方法为：第一步，将基体与固体聚合物碳源放入加热管中，加热管封闭，为保证后续隔绝空气；第二步，加热管抽真空并通入惰性气体；第三步，打开直流电源供电，采用激光或高温炉加热，使固体聚合物碳源高温加热裂解，得到游离的碳原子或者短碳链，激光或高温炉加热的加速速度为30～50℃/min，最终加热温度范围为800～1000℃，冷却速率30～50℃/min；第四步，关闭高温炉，关闭惰性气体定量输出装置，打开左管塞，取出石墨烯或石墨涂层基体。本专利技术相关应用设备主要气体排出管、左管塞、直流电源、高温炉、加热管、右管塞、气体通入管、惰性气体定量输出装置、导电棒、夹持装置、尾气处理装置、绝缘密封圈、基体、石英舟和固体聚合物等。其中，惰性气体定量输出装置与加热管之间采用耐热管连接，加热管放置在高温炉中；加热管内放置基体和石英舟或者刚玉舟，石英舟内盛有固体聚合物碳源PE，基体和石英舟放在加热管的中心位置，两者最远距离＜10cm；加热管两端配备有管塞(密封塞)，加热过程中进行密封形成惰性气体保护空间；夹持装置在加热管内部，并通过导电细棒或导电线连接到外部的电源，电源配有电阻，防止电路短路。在制备过程中，首先抽真空并通入惰性气体，然后采用高温炉电加热或者激光加热的方式对加热管加热。其中，加热的加速速度为30～50℃/min，最终加热温度范围为800～1000℃，冷却速率30～50℃/min；激光加热的加热速度与加热速率视激光加热功率而定。该专利技术中的通电方式为外接方式，左管塞或者右管塞开有微孔，电源连接导电棒或导电线穿过微孔进入加热管内，给基体提供电压或者电场，微孔与导电棒或导电线之间设有绝缘圈，可为耐高温橡胶材料也可为其他材料，起绝缘和防气体漏出的作用。通电外接也可通过加热管，加热管可开孔或者设有支管，导电细棒或导电线通过孔或者支管进入加热管内，提供电压或者电场。孔或者支管与导电棒或导电线之间也设有绝缘密封圈。在制备过程中，利用夹持装置来固定基体，夹持装置为金属导电材料。导电棒或金属线采用铜或其他导电金属，金属导电材料的熔点温度要大于加热方式所能达到的上限温度。在加热管加热及降温过程中，通过导电棒或导电线给基体材料施加一定的电压，在电压电流的作用下，促进高品质石墨烯及涂层的快速有序生长制备。基体有了薄薄的镀层后使得基体具有了导电性或导电性提高，在电场的作用下，沉积效率和质量都得到提高。该专利技术中的夹持装置可拆换为两电极板，通过外部电源在两电极板中间产生电场，基体材料放在两电极板中，在电场作用下促进石墨烯在基体上的生长制备。其中，两电极板的距离和电场大小可调。加热管中应用的碳源聚合物高分子材料在常温下为固态，如PE、PP及PVC材料等。聚合物材料加入量根据实际制备要求进行调节，聚合物放在石英舟或刚玉舟等耐高温器皿中，在加热前放入加热管中。该技术可以应用的沉积基体有SiC基体、Ni基体、Cu基体等，在上面制备石墨烯涂层、类石墨涂层。该技术同时能应用于碳纤维基体和玻璃纤维基体，进行碳纤维和玻璃纤维的表面改性，促进导热导电性。本专利技术提出一种固体聚合物碳源电化学沉积技术，该专利技术主要创新点包括：(1)利用固体聚合物PE或者PVC等聚烯烃类作为碳源代替甲烷等气体，成本低，更加安全；(2)在提出了一种新的电化学沉积方式，在制备石墨烯过程中，加入电压电场的影响，提高石墨烯生长制备质量；(3)本专利技术提出一种新的电化学沉积实施装置，采用外接电源的方式给提供电压电场，同时可采用激光加热使固体聚合物聚烯烃类材料分解。该技术可应用于导电涂层、石墨烯材料的制备，也可直接对器件进行石墨烯导电涂层，使原材料在原有的性能应用上增加导电等性能，扩大材料的应用领域。附图说明图1为本专利技术一种固体聚合物碳源电化学沉积技术应用装备。图2为本专利技术一种固体聚合物碳源气相沉积技术加热管内部示意图。图中，1-气体排出管，2-左管塞，3-直流电源，4-高温炉，5-加热管，6-右管塞，7-气体通入管，8-惰性气体定量输出装置，9-导电棒，10-夹持装置，11-尾气处理装置，12-绝缘密封圈，13-基体，14-石英舟，15-固体聚合物。具体实施方式本专利技术相关应用设备主要包括气体排出管1、左管塞2、直流电源3、高温炉4、加热管5、右管塞6、气体通入管7、惰性气体定量输出装置8、导电棒9、夹持装置10、尾气处理装置11、绝缘密封圈12、基体13、石英舟14和固体聚合物15等，如图1所示。惰性气体定量输出装置8通过气体通入管7连接右管塞6，并将惰性气体按照一定的流速通入到加热管5中，加热管5放置在高温炉4中，导电棒9通过左管塞2深入到加热管5中，见图2所示，金属夹持装置10通过导电棒9外部连接到电源3，固体聚合物15包括PE、PVC等，固体聚合物15放入到石英舟14，夹持装置10固定基体13，加热管5左侧连接气体排出管1，气体排出管1排出的气体导入到尾气处理装置11中，进行尾气处理。本专利技术旨在提供一种多取向层叠碳纤维复合材料及碳纤维编织布的制造方法。具体实施方式为：(1)选择一定量的聚合物PE、PVC等放入到石英舟或刚玉舟14中，然后放入到加热管5的中心位置。(2)用夹持装置10固定基体13，左管塞2和右管塞6安装到加热管5上，基体13被伸进加热管5中，左管塞2与右管塞6对加热管起到密封作用。(3)通过气体排出管1对加热管5内进行抽真空，将空气抽走，惰性气体定量输出装置8将惰性气体通入管7，管7将惰性气体按一定的流量通入到加热管5中。气体排出管1连接尾气处理装置11，排出收集处理尾气。(4)打开电源3供电，高温炉4启动后按5～30℃/min升温速率加热加热管5，达到最高温度后按1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体聚合物碳源电化学沉积技术，其特征在于：第一步，将基体与固体聚合物碳源放入加热管中，加热管封闭，为保证后续隔绝空气；第二步，加热管抽真空并通入惰性气体；第三步，打开直流电源供电，采用激光或高温炉加热，高温炉启动后按照一定的加热速度升温，达到最高温度后按照一定的降温速度降温，使固体聚合物碳源高温加热裂解，得到游离的碳原子或者短碳链；第四步，关闭高温炉，关闭惰性气体定量输出装置，打开左管塞，取出石墨烯或石墨涂层基体。

【技术特征摘要】
1.一种固体聚合物碳源电化学沉积技术，其特征在于：第一步，将基体与固体聚合物碳源放入加热管中，加热管封闭，为保证后续隔绝空气；第二步，加热管抽真空并通入惰性气体；第三步，打开直流电源供电，采用激光或高温炉加热，高温炉启动后按照一定的加热速度升温，达到最高温度后按照一定的降温速度降温，使固体聚合物碳源高温加热裂解，得到游离的碳原子或者短碳链；第四步，关闭高温炉，关闭惰性气体定量输出装置，打开左管塞，取出石墨烯或石墨涂层基体。2.根据权利要求1所述的一种固体聚合物碳源电化学沉积技术，其特征在于：激光或高温炉加热的加速速度为30～50℃/min，最终加热温度范围为800～1000℃，冷却速率30～50℃/min。3.根据权利要求1所述的一种固体聚合物碳源电化学沉积技术，其特征在于：固体聚合物碳源为聚烯烃。4.一种固体聚合物碳源电化学沉积装置，其特征在于：主要包括气体排出管、左管塞、直流电源、高温炉、加热管、右管塞、气体通入管、惰性气体定量输出装置、导电棒、夹持装置、尾气处理装置、绝缘密封圈、基体、石英舟和固体聚合物碳源，其中，惰性气体定量输出装置与加热管之间采用耐热管连接，加热管放置在高温炉中；加热管...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫民，高晓东，谭晶，程礼盛，丁玉梅，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11