一种宽波段热辐射发射率可调的石墨烯发热体制备方法

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1.本发明涉及石墨烯发热体材料技术领域，具体涉及一种宽波段热辐射发射率可调的石墨烯发热体制备方法。


背景技术：

2.人体皮肤是一种接近黑体的材料，对于波长在8-14μm左右的远红外光波较为敏感，这是由于该波段的红外光具有较强的穿透力，可以深入皮肤5-10mm，被人体吸收后与体内水分子产生共振，使人体细胞处于高振动能级，产生共振吸收效应和温热效应。热能使人体组织温度升高，有利于扩张毛细血管，促进人体血液循环，增强新陈代谢，对于治疗关节炎、腰肌劳损、肌肉肿胀等疾病具有显著效果。目前，国家药监局已批准红外线治疗仪、热疗仪、热疗贴等多种产品在市场上的投放，但这些产品仍然存在结构复杂、能耗高、红外辐射不可控等问题。
3.石墨烯作为新型的电热材料具有高柔性、高比表面积、高红外发射率、高载流子浓度、电热转换效率高、低密度、发热均匀、导热快等优点，通过在石墨烯两端施加不同电压，可实现快速响应的温度调控。同时，由于石墨烯在发热状态下会发射出6-15μm的远红外光波，因此相比较于传统电热材料(金属、导电陶瓷)来说，石墨烯的热辐射波长更接近人体皮肤的吸收波长，能够轻易被人体吸收。由上述可知，石墨烯是一种比较理想的发热体，可以解决目前红外理疗仪所存在的不足。
4.目前，限制石墨烯作为红外治疗仪中发热体的主要原因有两方面：
5.一是高质量石墨烯的规模化生产。微机械剥离、还原氧化石墨、sic热解、化学气相沉积等方法可以用于石墨烯的生产，但难以同时满足产量高、品质高、廉价、批量化生产等要求。利用激光产生的瞬时高温诱导含碳材料向石墨烯转化是一种新型的石墨烯制备工艺(引文：doi：10.1038/ncomms6714)，该工艺的优点在于材料来源广泛、制备工艺简单且迅速，生成的石墨烯质量较高，可以解决石墨烯难以批量化生产的问题。
6.二是石墨烯热辐射波长的精确调控。常见石墨烯加热产生的热辐射是远红外光波，但在实际应用中，不同波长的红外线具有不同的穿透深度和治疗效果。如果可以进行石墨烯热辐射发射率的精确调控，就可以根据不同疾病治疗所需要的波长，使石墨烯在该波长附近具有最高的热发射率，实现最优化的红外治疗效果。目前常见市售红外治疗仪是仅靠温度调节热辐射发射率，但该方法对于红外发射的调控较为粗糙且范围有限。
7.本发明旨在通过改变石墨烯表面形貌实现石墨烯热辐射发射波长的精确调控。其原理是通过改变石墨烯的微纳结构单元，引起热辐射波的相互干涉，实现宽波段范围内的红外发射率调控。
8.对以上情况的这种简介，说明目前限制石墨烯发热体在医疗器械领域的应用主要问题存在两点：一是现有技术制备的石墨烯成本高、产量低、难以规模化；二是石墨烯热辐射发射率的精确调控，不能针对实际病情需要，精确调控热辐射发射率和穿透深度。本发明的一个目的是克服或改善至少一个现有技术缺点，或提供有用的替代。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题在于提供一种宽波段热辐射发射率可调的石墨烯发热体制备方法，制备得到的石墨烯发热体具有温度可调、宽波段红外发射率可调的特点。
10.本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
11.一种宽波段热辐射发射率可调的石墨烯发热体制备方法，由含碳基底在激光辐照下生成石墨烯，在一定电压下，石墨烯通过电热转换升温并释放热辐射，通过进一步调整激光参数使石墨烯发热体表面产生周期性褶皱，利用褶皱顶部引起的干涉实现红外发射率的调控，得到宽波段热辐射发射率可调的石墨烯发热体。
12.所述含碳基底为天然高分子化合物、合成高分子化合物、碳链聚合物、杂链聚合物、脂环聚合物、芳香聚合物、果蔬、动物皮毛中的一种或多种的组合。
13.所述激光的光源为固体激光源、气体激光源、液体激光源和半导体激光源中的一种或多种的组合。
14.所述石墨烯为单层石墨烯、多层石墨烯、单晶石墨烯、多晶石墨烯、石墨烯复合物中的一种或多种的组合。
15.所述电热转换升温范围从20℃至1000℃。
16.所述激光参数包含激光功率、激光扫描速度、激光波长、激光扫描线间距、激光光斑大小中的一种或多种的组合；优选地，激光功率0.1-100w，激光扫描速度1mm/s-10000mm/s，激光波长为200nm至200μm，激光扫描线间距10nm至500μm，激光光斑大小10nm至10mm。
17.所述电压的范围为0.1-500v。
18.所述褶皱的间距为1nm至1000μm。
19.所述红外发射率在0.1到0.9之间可调。
20.所述红外范围内的可控波长为0.75μm至1500μm；优选地，红外范围内的可控波长为0.75μm至20μm。
21.本发明的有益效果是：
22.1)本发明提供的石墨烯制备方法可以批量获得高品质石墨烯；
23.2)本发明制备的石墨烯发热体可以实现20℃至1000℃温度范围内的精确调控；
24.3)本发明制备的石墨烯发热体可以实现宽波段热辐射发射率的精确调控；
25.4)本发明提供的石墨烯发热体制备方法具有操作简单、原料易得、易于推广的特点，制备得到的石墨烯发热体能够应用于多个技术领域，尤其适用于可穿戴式红外治疗仪系列医疗器械领域。
附图说明：
26.图1为实施例1制备的石墨烯发热体的结构示意图；
27.图2为实施例1制备的石墨烯发热体的扫描电镜图；
28.图3为实施例1制备的石墨烯发热体的拉曼光谱；
29.图4为实施例1制备的石墨烯发热体在不同电压下的温度曲线。
具体实施方式：
30.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结
合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
31.实施例1
32.在本实施例中，选取聚酰亚胺薄膜作为为含碳基底，将150μm厚度的聚酰亚胺薄膜暴露于10.6μm波长的co2激光下，激光参数为功率5w，激光扫描速度200mm/s，激光扫描线间距为100μm，激光光斑为10μm，即可得到表面褶皱的石墨烯发热体。
33.本实施例制备的石墨烯发热体的热辐射最佳发射波段在7-19μm，红外发射率为0.98。
34.图1是本实施例制备的石墨烯发热体的结构示意图，由图1可知石墨烯表面形成周期性褶皱，利用褶皱顶部引起的干涉可实现热辐射波长的调控；图2是本实施例制备的石墨烯发热体的扫描电镜图，由图2可知石墨烯褶皱的间距为100μm；图3是本实施例制备的石墨烯发热体的拉曼光谱，图3中显示的石墨烯的2d峰尖锐明显，说明石墨烯形成的品质较高。
35.实施例2
36.本实施例石墨烯的制备方法中所选取的含碳基底为2mm木板，其余条件与实施例1相同。
37.本实施例制备的石墨烯发热体的热辐射最佳发射波段在7-19μm，红外发射率为0.98。
38.实施例3
39.在本实施例中，选取聚酰亚胺薄膜作为含碳基底，将150μm厚度的聚酰亚胺薄膜暴露于1μm波长的钛宝石泵浦光源下，激光参数为功率10w，激光扫描速度500mm/s，激光扫描线间距为1μm，激光光斑为1μm，即可得到表面褶皱的石墨烯发热体。
40.本实施例制备的石墨烯发热体的热辐射最佳发射波段在6-13μm，红外发射率为0.8。
41.实施例4
42.通过实施例1获得尺寸8cm
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12cm的石墨烯发热体，经四探针法测量，该石墨烯发热体的方阻为28ω/
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。随后在石墨烯发热体两端施加不同电压，结果如图4所示，在15v电压下通电100s后，石墨烯发热体的表面温度达到88℃，说明石墨烯具有较快的电热响应能力且温度可调控。
43.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。