[發明專利]“縫合法”制備大面積石墨烯材料的方法

有效

• 申請號: 201711291229.5
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN108002373B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 黃瑾;陳曉東;陳君;侯雯雯;楊源波
• 申請（專利權）人: 陜西省石油化工研究設計院
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 西安文盛專利代理有限公司 61100
• 代理人: 彭冬英

本發明涉及一種“縫合法”制備大面積石墨烯材料的方法，制備方法如下：將氧化石墨烯按質量比1：100～600的比例加入裝有乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、對苯二胺之一的錐形瓶中。然后用用超聲分散機分散30?60min，待分散均勻后立即移入三口燒瓶中，在攪拌情況下，升溫，控制反應溫度在100?200℃之間，反應時間為20?24h。反應完后取反應溶液均勻涂覆在事先打磨光潔，并用無水乙醇清洗烘干的鋼片上，放置于烘箱中120℃烘干3h即可得到被“縫合”成連續結構的石墨烯膜。本發明創新性地提出利用縫合劑將微米級的氧化石墨烯“縫合”成大面積、高導熱、可在金屬表面牢固附著的石墨烯膜的方法。

技術領域

本發明涉及一類大面積石墨烯材料的制備方法，主要用于運行在苛刻腐蝕環境下的油氣田開采、石油煉制過程和化工企業傳熱金屬設備、管道的腐蝕防護領域。

背景技術

石墨烯(Graphene)作為一種新型的二維納米材料，其基本結構單元為碳原子以sp2雜化連接的單原子層構成的新型二維原子晶體.是有機材料中最穩定的苯六元環。這種特殊結構使其在機械強度、載流子遷移率、熱導率，量子霍爾效應等方面表現出許多現有材料不具備的優異性質。尤其是其熱導率可達5000w·m^-1·K^-1，是金剛石的3倍(超高導熱石墨片導熱系數為150-1500w·m^-1·K^-1，石墨粉只有1.5w·m^-1·K^-1)。單層無缺陷石墨烯具有優異的屏蔽性能，能阻隔氧氣、水分子等腐蝕因子到達金屬基體表面，被認為是已知最薄的腐蝕防護涂層。自2004年被英國科學家發現以來已成為備受矚目的前沿和熱點。在這個領域內，研究者為了取得知識產權的先機而“占坑”布局，截至2014年底其相關研究的專利就有5047件，發表的sci論文更多，但基本局限于實驗室研究，在實現工業化的道路上還有很長的一段路要走。

目前，石墨烯的制備方法主要有機械剝離法、晶體外延生長法、化學氧化法、化學氣相沉積法和有機合成等。

機械剝離法雖然可以獲得晶體結構比較完整的石墨烯，但得到的石墨烯尺寸很小，一般在10微米-100微米之間，存在產率低和成本高的不足，不能滿足工業化和規模化生產要求。

化學氣相沉積法(CVD)是將乙烯或乙炔等氣體導入到一個反應腔內，讓這些氣體在高溫下分解，經過冷卻后，碳原子就沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學腐蝕法除去金屬基底，或用卷對卷的方法將其轉移到高分子薄膜上。CVD制備的石墨烯，具有可擴展性、高電導性，具有大規模生產的潛力，可以成功地應用于高端電子行業。雖然CVD能滿足規模化制備大面積、高質量的石墨烯要求(中航工業航材院石墨烯及應用研究中心利用該研究方法制備的大尺寸石墨烯膜為200mm×200mm)，但在現階段由于其成本較高和工藝復雜等缺點，限制了這種方法在石墨烯制備中的應用。

在對石墨烯的薄膜面積沒有過高要求的領域，作為化學氧化法的氧化石墨還原法是制備石墨烯最常用的方法之一。在強氧化劑作用下，擴張石墨層間距，經在水溶液或有機溶劑中超聲處理后形成均勻分散的單層氧化石墨烯，再利用還原劑還原氧化基團制得石墨烯。價格可降至10元/克以下，成品多為粉材、漿料，可間接成膜。但這種方法得到的主要是石墨烯粉體，缺陷非常多，電學、力學性能都較差，適合中低端應用。

還有一種主要方法就是溶劑剝離法，原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的分子作用力，此時溶劑可以插入石墨層間，進行層層剝離，制備出石墨烯。此方法不會像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結構，可以制備高質量的石墨烯。由于整個液相剝離的過程沒有在石墨烯的表面引入任何缺陷，為其在微電子學、多功能復合材料等領域的應用提供了廣闊的應用前景，缺點是產率很低。