一种利用石墨烯实现材料粘接的方法与流程

文档序号:11245779阅读:1552来源:国知局

本发明涉及一种利用石墨烯实现材料粘接的方法。



背景技术:

随着社会的进步和科学技术的发展,人们的环保意思识和可持续发展观念日益增强,由溶剂型粘接剂向环保型水基粘接剂转变,已成为当前粘接剂发展的必然趋势。传统的粘接剂例如白乳胶、淀粉胶黏剂存在着易霉变、耐水性和耐湿性比较差和干燥速度慢等缺点;水玻璃存在着耐碱性和耐水性差;具腐蚀性、强刺激性,可致人体灼伤;酚醛树脂胶黏剂存在着脆性大,剥离强度低,不适于作结构胶粘剂使用的缺点;应用较多的脲醛树脂胶黏剂甲醛释放量高、污染环境、危害健康的缺点。

石墨烯是一种具有超高导电、超高导热、超强力学性能的二维纳米材料(science,2004,306:666-669),自发现以来就受到了极大的关注。若将石墨烯引入两个材料的界面处,极有希望利用石墨烯的导电导热性实现常规高分子胶黏剂所无法达到的导电、导热粘接,并且得益于石墨烯的优异特性可使粘接界面耐受高温以及酸碱等腐蚀环境。然而石墨烯表面缺乏极性官能团,很难直接通过石墨烯实现对材料的粘接。长久以来,胶黏剂领域对石墨烯的使用多是将其作为纳米填料,以极少的添加量掺入高分子等常规粘接剂,虽然最终的性能有所提升,但这种复合粘接剂依然表现高分子胶黏剂的主体特性,例如,导电、导热以及耐性均局限于高分子材料本身,并不能有效而充分地发挥石墨烯的独特性能。



技术实现要素:

本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种实现全石墨烯粘接的方法。通过该方法可对高分子、金属、纸、玻璃、碳材料和陶瓷等材料进行有效粘接。

为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:

一种利用石墨烯实现材料粘接的方法,该方法为:首先将氧化石墨烯溶液均匀涂覆在多个待粘接材料之间,待其干燥后进行还原,即可在待粘接材料之间通过石墨烯实现粘接。

进一步地,所述氧化石墨烯溶液中,氧化石墨烯片层尺寸为1um~100um,尺寸小于5um的氧化石墨烯片少于等于10%,且尺寸大于30um的氧化石墨烯片不少于65%;氧化石墨烯单层率大于80%;氧化石墨烯的浓度大于等于4mg/ml。

进一步地,还原后的石墨烯的c/o大于4:1。

进一步地,所述溶剂为水、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)。

进一步地,待粘接材料包括高分子、金属、纸和玻璃、碳材料、陶瓷等材料,以及上述不同种材料之间的粘接。

进一步地,所述还原方法为在80-100℃下利用氢碘酸或水合肼蒸汽进行化学还原。

进一步地,所述还原方法为在加压或真空状态下按1℃/min升温速率缓慢升温至100-500℃热还原。

本发明首次提出一种在材料界面处实现100%石墨烯粘接的方法。该策略首先通过高极性的氧化石墨烯在材料界面处建立有效粘接,继而施加可控还原,得到石墨烯粘接层,并且有效避免了还原过程中脱粘、起泡等现象的发生。与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:

(1)在粘接过程中,未加入任何含有高分子物质,无污染,利于环保。

(2)使用方法简单,且粘接处具有导电导热等特性。

(3)粘接界面稳定,可耐受高温、湿气、酸碱腐蚀等。

附图说明

图1为不同浓度石墨烯的粘结性能图。

具体实施方式

本发明公开了一种利用石墨烯实现材料粘接的方法,粘接时无需任何高分子成分,可充分发挥石墨烯的优异特性。为了实现100%石墨烯粘接,本发明设计了一种由氧化石墨烯还原得到石墨烯的策略。因为氧化石墨烯含有更多的极性官能团,与多数材料表面具有亲和性,且容易大量制备,因此更容易作为胶黏剂使用。然而,为了得到石墨烯的导电导热耐腐蚀等特性,必须对氧化石墨烯进行还原。还原过程中由于氧化官能团的大量脱除,石墨烯极性降低,同时释放出气体,将大大削弱由氧化石墨烯建立起来的粘接作用。为了避免这种情况的发生,本发明采用了加压还原和缓慢还原的还原方式,使形成的气体缓慢释放,减小对粘接层的破坏,并且有利于石墨烯片层间π-π相互作用的及时建立,保证了粘接层的完整。

下面通过实施例对本发明进行具体描述,本实施例只用于对本发明做进一步的说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据上述发明的内容做出一些非本质的改变和调整,均属于本发明的保护范围。

没有明确指定的情况下,以下实施例涉及的百分数均为数量百分比,例如,“单层氧化石墨烯占在氧化石墨烯总量的81.5%”,意为,1000片的氧化石墨烯中,单层氧化石墨烯的数量为815片;“尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量为7±3%”,意为,100片的氧化石墨烯中,尺寸小于5um的氧化石墨烯片的数量为7±3片。另外,c/o为本领域常用技术术语,表示c、o的原子个数比。

实施例1

本实施例研究了不同浓度的氧化石墨烯溶液对最终石墨烯粘结性能的影响,具体如下:

采用的氧化石墨烯溶液中,尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量为8±1%,尺寸大于30um的氧化石墨烯片的量为70±3%,其余部分尺寸为5-30um之间;整体的c/o比2:1,单层氧化石墨烯占在氧化石墨烯总量的98.8%。

分别按照2-20mg/ml的浓度配置氧化石墨烯水溶液,并将其对两片载玻片实现粘结,粘结方法为:首先对载玻片进行亲水处理,之后将氧化石墨烯粘接剂均匀涂覆在两片载玻片之间,待其干燥后在95℃下利用水合肼蒸气进行化学还原,还原后的石墨烯的c/o为6:1左右,两片载玻片通过石墨烯实现粘接。

不同浓度下的粘接效果如图1所示。从图中可以看出,氧化石墨烯浓度在4mg/ml以上,具有较好的粘接效果。

实施例2

本实施例研究了不同尺寸分布的氧化石墨烯对最终石墨烯粘结性能的影响,具体如下:

采用的氧化石墨烯中,尺寸分布如表1所示;整体的c/o比2:1,单层氧化石墨烯含量为95.8%。按照4mg/ml的浓度配置氧化石墨烯水溶液,并将其对两片载玻片实现粘结,粘结方法为:首先对载玻片进行亲水处理,之后将氧化石墨烯粘接剂均匀涂覆在两片载玻片之间,待其干燥后在90℃下利用氢碘酸蒸汽进行化学还原,还原后的石墨烯的c/o为5:1左右,两片载玻片通过石墨烯实现粘接。

不同尺寸分布下的粘接效果如表1所示。从表中可以看出,尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量应少于等于10%,且尺寸大于30um的氧化石墨烯片的量应不小于65%。

表1

实施例3

本实施例研究了不同还原程度的石墨烯(不同c/o值)对最终粘结性能的影响,具体如下:

采用的氧化石墨烯尺寸在30~80um,c/o变化范围为2:1~3:1,单层氧化石墨烯占在氧化石墨烯总量的84.1%。按照8mg/ml的浓度配置氧化石墨烯水溶液,并将其对两片ito实现粘结,粘结方法为:首先对ito进行亲水处理,之后将氧化石墨烯粘接剂均匀涂覆在两片ito之间,待其干燥后在真空状态下按1℃/min升温速率缓慢升温至300℃进行热还原,或者水合肼蒸气化学还原,通过对氧化石墨烯c/o的选择以及还原方法的控制,使还原后的石墨烯的c/o比分别为3.5:1、4:1、5:1:6:1;

一方面,通过对4个粘结试样进行粘结性能测试,发现随着c/o比的升高(还原程度的增加),粘结效果有所下降,然而,由于石墨烯片的尺寸分布,以及单层率等优势,使得其始终保持较好的粘结效果;另一方面,对两个粘结后的ito的导电性进行测试,测试结果表明,随着c/o比的升高,粘接层的导电性显著提升,在c/o比为4:1时,即达到了ito本身的导电性能。

通过以上实施例可知,本领域技术人员利用本发明的粘结方法,可根据对实际粘结效果以及导电率的要求,对碳氧比以及尺寸分布、氧化石墨烯前躯体浓度进行调整,以实现完好粘结。例如,对导电率要求高的,需要还原后的石墨烯具备高碳氧比,此时,即可通过提高大尺寸石墨烯片的含量、或提高氧化石墨烯前躯体浓度来实现粘结。

实施例4

(1)取单层率为81.4%的氧化石墨烯,尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量为6%,尺寸大于30um的氧化石墨烯片的量为87%,其余部分尺寸为5-30um之间;配置浓度为4mg/ml的氧化石墨烯分散液,分散相为水,将其作为石墨烯粘接溶液。

(2)将石墨烯粘接溶液均匀涂覆在聚苯胺材料表面,待其干燥后即实现粘接。经测试粘接强度达0.11mpa。

(3)经氢碘酸溶液90℃还原处理30分钟后,测得其c/o为4:1,经测试在粘接处粘接强度达0.04mpa,且具有优异的导电性,并可耐酸、耐碱和耐盐。

实施例5

(1)取单层率为96.3%的氧化石墨烯,尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量为3%,尺寸大于30um的氧化石墨烯片的量为91%,其余部分尺寸为5-30um之间;配置浓度为16mg/ml的氧化石墨烯分散液,分散相为水,将其作为石墨烯粘接溶液。

(2)将石墨烯粘接溶液均匀涂覆在铁片表面,待其干燥后即实现粘接。经测试粘接强度达0.36mpa。

(3)经水合肼溶液70℃还原处理20分钟后,测得其c/o为4:1,经测试在粘接处粘接强度达0.04mpa,且具有导电性,并可耐酸、耐碱和耐盐。

实施例6

(1)取单层率为97.2%的氧化石墨烯,尺寸均控制在50~80um;配置浓度为12mg/ml的氧化石墨烯分散液,分散相为dmf,将其作为石墨烯粘接溶液。

(2)将石墨烯粘接溶液均匀涂覆在导电玻璃材料表面,待其干燥后即实现粘接。经测试粘接强度达0.11mpa。

(3)按1℃/min升温速率缓慢升温至200℃热还原处理20分钟后,测得其c/o为4:1,经测试在粘接处粘接强度达0.03mpa,且具有导电性,并可耐酸、耐碱和耐盐。

实施例7

(1)取单层率为95.4%的氧化石墨烯,尺寸均控制在50~80um;配置浓度为18mg/ml的氧化石墨烯分散液,分散相为水,将其作为石墨烯粘接溶液。

(2)将石墨烯粘接溶液均匀涂覆在导电陶瓷材料表面,待其干燥后即实现粘接。经测试粘接强度达0.22mpa。

(3)经氢碘酸溶液80℃还原处理60分钟后,测得其c/o为5:1,经测试在粘接处粘接强度达0.02mpa,且具有导电性,并可耐酸、耐碱和耐盐。

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