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氧化石墨烯薄膜制备方法概述(一)

2024-10-31 15:29:32
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氧化石墨烯薄膜制备方法概述(一)

由于石墨烯纳米片容易聚集,不易大量生产等问题,直接使用石墨烯组装石墨烯薄膜的方法并不常用。GO的可还原性、在多种极性溶剂的可溶性以及各种优异的物理化学性质,解决了石墨烯纳米片容易聚集,不易组装的问题,成为了制备石墨烯组装体的优异的前体材料。在石墨烯组装体的研究进程中,石墨烯薄膜的研究开始的最早也最广泛,由GO组装后再进行还原也是目前研究者们最常用的石墨烯薄膜制备方法。

本章也将对现有的氧化石墨烯薄膜的制备方法进行大概综述。

抽滤成膜法:石墨烯薄膜抽滤法成型是使用氧化石墨烯溶液作为前体,使用抽滤膜将溶剂与GO片分离,再进行还原得到石墨烯薄膜的方法,在抽滤过程中,随着液体的定向移动,溶液中的GO纳米片也有序排列沉积在抽滤膜表面,使得薄膜中纳米片排列整齐,缺陷减少。使用GO水溶液抽滤的方法得到了GO薄膜,通过机械测试及断面SEM表征,得到其强度达到120MPa,模量为36GPa。最近,使用抽滤的方法制备了GO薄膜,在经过多种交联分子的协同作用以及诱导拉伸还原后,得到了具有创纪录的1.55GPa的抗拉强度的高强石墨烯薄膜。作为石墨烯薄膜制备中使用率最高的制备方法,该制备方法有以下几点优势:操作简单,不需复杂设备;可以通过控制GO溶液浓度和抽滤时间大致控制石墨烯膜的厚度;石墨烯片在溶液中不易产生褶皱,石墨烯片依靠溶液流动和重力沉积在抽滤膜上,纳米片排列有序,缺陷较少。但是由于制得的石墨烯膜受抽滤装置的限制、抽滤速度较慢、需要特别的抽滤膜方便GO膜与其分离等原因导致其现在的应用条件受限。

刮涂成型法:刮涂成膜是狭缝挤出成膜的一种成膜方式,将GO溶液使用刮刀均匀涂覆在基底上,静置干燥后还原,可以得到石墨烯膜。由于刮涂过程可以对GO纳米片施加更强的剪切力,增强分子排列及防止聚集,起到诱导取向的作用。旋涂法和刮涂法基本一致,区别在与旋涂剪切力是由离心力产生。如下图所示,通过刮刀涂覆法制备了GO膜,并通过浸泡乙酸乙酯溶液得到了橡胶状GO膜。通过刮刀涂覆法形成GO膜,再经过化学还原及热还原以及辊压过程,得到高度致密且高导热性能的薄膜,其薄膜的密度可以达到2.1g/cm3,同时面内热导率为2,025±25Wm−1K−1。

刮涂成型法操作简单,不需复杂设备;可以通过控制GO溶液浓度和刮涂厚度大致控制石墨烯膜的厚度;无尺寸限制,可以制备大尺寸的石墨烯膜;可以在施加剪切力调整石墨烯片的取向。

溶剂蒸发法:溶剂蒸发法是最简单的石墨烯膜制备方法。在原料中添加易于蒸发的稀释剂,通过一些加热的方式,让稀释剂与原料混合均匀,同时溶剂逐渐挥发。制膜成型后自然晾干或者在烘箱中让溶剂蒸发,在经过还原得到石墨烯膜。和刮涂的方法比较一致,但缺少剪切力的作用,缺少对于GO片排列的调控功能。但由于其操作简便,不需复杂设备,适合大量准备等优点,仍然是石墨烯薄膜制备的常用方法。

连续纺膜法:连续纺膜法是最接近石墨烯膜批量生产的方法。将GO水溶液放置在注射器中,将注射器中液体随基底逐步挤出,经过凝固浴后成型,烘干后收集。2014年首次进行连续纺膜,如图1所示,这是首次实现GO膜的连续纺膜制备,为后续GO膜的制备的发展奠定了基础。通过利用油水界面的超铺展效应实现了将GO溶液直接在油界面上连续制备,同时利用液体的流动将GO溶液中的纳米片取向进行诱导。这种超铺展的策略也为后续石墨烯膜的发展提供了新的思路。


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