一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的方法，具體涉及一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周?chē)荚影l(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小，同時(shí)，石墨烯是世上最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光:導(dǎo)熱系數(shù)高汰5300 ff/ (m.K)，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過(guò)15 000 cm2 / (V.s),又比納米碳管或硅晶體高，而電陽(yáng)率只約10_6Ω.cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子跑的速度極快，石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。因其高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高導(dǎo)電性及高比表面積等優(yōu)點(diǎn)受到了研究者的廣泛重視。目前，國(guó)內(nèi)外制備石墨烯的方法主要有如下幾種:
(I)微機(jī)械剝離法；這種方法制得的石墨烯質(zhì)量高，但只能得到數(shù)量有限的石墨烯片，只適用于作為基礎(chǔ)研究來(lái)探究石墨烯的電學(xué)性質(zhì)。
[0003](2)外延生長(zhǎng)法；該法制備條件苛刻，均要求在高溫高真空或某特定氣氛及單晶襯底等條件下進(jìn)行，且制得的石墨烯不易從襯底上分離出來(lái)，不能大規(guī)模制備石墨烯。
[0004](3)氧化-還原法；該方法是目前較為常見(jiàn)的低成本高效地制備大面積石墨烯薄層材料的化學(xué)方法，但得到的石墨烯含有大量的含氧基團(tuán)和缺陷，其導(dǎo)電性能較低，且還原劑大部分有毒，使得制備過(guò)程存在環(huán)境污染。
[0005](4)化學(xué)氣相沉積法；此方法可以滿足規(guī)?；苽涓哔|(zhì)量石墨烯的要求，但成本較高，工藝復(fù)雜。
[0006](5)電解法；此方法可合成大量的石墨烯，但是合成出的石墨烯的表面均帶有大量的正離子負(fù)離子或有機(jī)物。上述方法各有局限之處，因此人們迫切希望能研制出一種環(huán)境友好、工藝簡(jiǎn)單、能夠規(guī)?；a(chǎn)處缺陷較少的石墨烯方法及裝置。
[0007](6)液相超聲波剝離法，是借助超聲波對(duì)粉體的破碎作用，在有機(jī)溶劑中對(duì)石墨片層進(jìn)行剝離制備石墨烯的方法(J.Mater.Chem.19，3367-3369，2009)。有機(jī)溶劑不但提供了制備場(chǎng)所，而且通過(guò)控制條件可以起到促進(jìn)石墨層分離、分散、保護(hù)、隔離石墨烯的作用。該方法不僅可以進(jìn)行大體積制備，同時(shí)由于沒(méi)有引入化學(xué)過(guò)程，石墨烯晶體結(jié)構(gòu)也得到了較好的保護(hù)，可獲得性能優(yōu)異的石墨烯。但該法存在能耗高，效率低的缺陷。而微波液相剝離法制備石墨烯，能耗低，且產(chǎn)品尺寸分布均勻，并能穩(wěn)定懸浮在反應(yīng)液中。
[0008]以上這些石墨烯制備方法大都可以在特定條件下獲得實(shí)驗(yàn)室用的石墨烯樣品，但是，快速制備大面積、高質(zhì)量石墨烯的方法一直沒(méi)有取得突破，極大地限制了石墨烯制備的效率、產(chǎn)量和成本，阻礙了其進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
[0009]中國(guó)專(zhuān)利號(hào)CN201410139728.2，公開(kāi)了一種連續(xù)化生產(chǎn)石墨烯粉體工業(yè)裝置及其方法。該方法為通過(guò)控制分散劑的配比來(lái)調(diào)整表面張力，再與石墨混合均勻后通過(guò)連續(xù)超聲和微波的協(xié)同作用得到分散均勻石墨烯；添加粘合液至石墨烯分散液配制漿料，采用離心噴霧干燥設(shè)備對(duì)漿料進(jìn)行噴霧干燥、造粒。該法可以大規(guī)模制備石墨烯粉體，但不具備大規(guī)模制備石墨烯薄膜條件。中國(guó)專(zhuān)利CN201210561455.1，公開(kāi)了一種卷對(duì)卷石墨烯制備設(shè)備，包括密閉的真空室；所述真空室內(nèi)設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)石墨烯生長(zhǎng)箔帶運(yùn)動(dòng)的輥系，由輥系驅(qū)動(dòng)箔帶運(yùn)動(dòng)，可以進(jìn)行較大箔卷生產(chǎn)，但該方法在完成一卷石墨烯生長(zhǎng)后仍要停爐出料，且生產(chǎn)是在密閉真空下進(jìn)行，設(shè)備密封要求嚴(yán)，對(duì)石墨烯基底銅箔材質(zhì)純度要求高，生產(chǎn)成本高且對(duì)石墨烯膜的質(zhì)量無(wú)法把控，仍不能大規(guī)模的推廣應(yīng)用。中國(guó)專(zhuān)利CN201310290165.2，公開(kāi)了一種正壓條件下合成石墨烯的方法，其特征在于:石墨烯在化學(xué)氣象沉積系統(tǒng)的高溫沉降室內(nèi)生長(zhǎng)，生長(zhǎng)條件為高溫沉降室內(nèi)壓強(qiáng)高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的正壓條件。該方法雖然是在正壓條件下生產(chǎn)，但由于是在封閉條件下進(jìn)行，仍不能連續(xù)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，由于在密閉條件下，仍然不能提前了解石墨烯膜的質(zhì)量，且生產(chǎn)成本高。
[0010]鑒于此，本發(fā)明針對(duì)目前連續(xù)制備大面積、高質(zhì)量石墨烯薄膜的技術(shù)難題，而探索一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的方法及裝置。采用該方法和設(shè)備制備石墨烯，相對(duì)于現(xiàn)有方法具有快速、連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行大面積、高質(zhì)量石墨烯薄膜的規(guī)模化生長(zhǎng)，這將對(duì)石墨烯薄膜的眾多應(yīng)用及其產(chǎn)業(yè)化起到極大的推進(jìn)作用，對(duì)新型導(dǎo)電薄膜、納米集成電子器件、信息、能源等戰(zhàn)略領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了解決現(xiàn)有石墨烯薄膜連續(xù)生產(chǎn)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的方法及裝置，具有不間斷連續(xù)制備的優(yōu)點(diǎn)，且設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易可行，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及工業(yè)化生產(chǎn)，而且可以解決高質(zhì)量石墨烯膜規(guī)?；a(chǎn)的問(wèn)題。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是:一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的方法及裝置，該裝置包括由依次緊密連接的預(yù)熱室、高溫沉降室、預(yù)冷室、快速降溫室，每個(gè)工作室均有進(jìn)氣管、出氣管、壓力計(jì)、流量計(jì)、計(jì)時(shí)器和溫度計(jì)，每相鄰室之間均有絕熱隔板隔開(kāi)，每個(gè)工作室均有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的輥軸，由輥軸構(gòu)成石墨烯基底銅箔的不停運(yùn)動(dòng)，形成石墨烯邊沉降邊運(yùn)動(dòng)的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。
[0013]所述的預(yù)熱室為長(zhǎng)方形工作室，其特征在于預(yù)熱室為整個(gè)裝置的最前端，外殼為不銹鋼構(gòu)成，內(nèi)襯絕熱材料，預(yù)熱室前端有小門(mén)，以便于一卷箔材用完及時(shí)更換，預(yù)熱室前端有箔材支架，兩側(cè)壁裝有輥軸，箔材放置于室內(nèi)輥軸上，預(yù)熱室的側(cè)面有清洗氣進(jìn)氣管和出氣管，進(jìn)氣管安裝流量計(jì)和程控電磁閥，預(yù)熱室上部安裝壓力計(jì)和溫度計(jì)，預(yù)熱室與高溫沉降室相鄰端由絕熱隔板隔開(kāi)，絕熱隔板在輥軸的同一水平處開(kāi)有進(jìn)料縫隙，箔材由縫隙進(jìn)入高溫沉降室。預(yù)熱室長(zhǎng)度為1-2米，寬度為0.5-1米，高度為0.5-1米。
[0014]所述的高溫沉降室是石墨烯沉降生長(zhǎng)在箔材上的主要工作室，其特征在于高溫沉降室為長(zhǎng)方形工作室，高溫沉降室的前端與預(yù)熱室相連，后端與預(yù)冷室相連，高溫沉降室外殼為不銹鋼構(gòu)成，內(nèi)襯絕熱材料，側(cè)面有人孔，以便維修。高溫沉降室的側(cè)面有清洗氣的進(jìn)氣管和出氣管，進(jìn)氣管安裝流量計(jì)和程控電磁閥，高溫沉降室的側(cè)面底部安裝有原料氣進(jìn)氣管，原料氣進(jìn)氣管安裝有流量計(jì)和程控電磁閥，上部安裝壓力計(jì)、溫度計(jì)、計(jì)時(shí)器和氧氣檢測(cè)儀，高溫沉降室的兩端由絕熱隔板隔開(kāi)，高溫沉降室的兩側(cè)安裝有2-4組輥軸，箔材放置于輥軸上，在高溫沉降室內(nèi)迂回前進(jìn)，箔材在高溫沉降室的迂回時(shí)間為30-120分鐘，絕熱隔板與最靠近的輥軸的同一水平處開(kāi)有進(jìn)料縫隙和出料縫隙，箔材由進(jìn)料縫隙進(jìn)入高溫沉降室，由出料縫隙出離高溫沉降室進(jìn)入下一級(jí)工作室及預(yù)冷室。高溫沉降室長(zhǎng)度為2-5米，寬度為0.5-1米，高度為0.5-1米。
[0015]所述的高溫沉降室，其特征在于高溫沉降室內(nèi)有快速加熱裝置，快速加熱裝置為電加熱裝置或高溫熔鹽盤(pán)管加熱裝置，加熱裝置的溫度可控制在800-1200 V。
[0016]所述的高溫沉降室，其特征在于進(jìn)入高溫沉降室的清洗氣為氫氣、氦氣、氬氣的一種或任意混合氣，進(jìn)入進(jìn)入高溫沉降室的原料氣為高純甲烷高純乙炔或石蠟氣化氣的一種。
[0017]所述的預(yù)冷室是高溫沉降室的下級(jí)工作室，從高溫沉降室出來(lái)的帶有石墨烯薄層的箔材進(jìn)入預(yù)冷室進(jìn)行初步冷卻，其特征在于預(yù)冷室外殼為不銹鋼構(gòu)成，內(nèi)襯絕熱材料，兩側(cè)壁裝有輥軸，箔材放置于室內(nèi)輥軸上，預(yù)冷室的側(cè)面有進(jìn)氣管和出氣管，進(jìn)氣管安裝流量計(jì)和程控電磁閥，預(yù)冷室上部安裝壓力計(jì)和溫度計(jì)，預(yù)冷室與高溫沉降室相鄰端由絕熱隔板隔開(kāi)，絕熱隔板在輥軸的同一水平處開(kāi)有進(jìn)料縫隙。預(yù)熱室長(zhǎng)度為1-2米，寬度為0.5-1米，高度為0.5-1米。
[0018]所述的快速降溫室是本裝置的最后一個(gè)工作室，其特征在于快速降溫室外殼為不銹鋼夾套構(gòu)成，夾套內(nèi)裝有冷卻油或冷卻水，兩側(cè)壁裝有輥軸，箔材放置于室內(nèi)輥軸上，快速降溫室上面安裝有石墨烯薄膜檢測(cè)儀，在快速降溫室內(nèi)已冷卻到室溫的沉降由石墨烯薄層的箔材經(jīng)過(guò)石墨烯薄膜檢測(cè)儀時(shí)，檢測(cè)儀及時(shí)檢測(cè)石墨烯薄層質(zhì)量，如質(zhì)量符合要求，則裝置不報(bào)警，如質(zhì)量不符合要求，則檢測(cè)儀報(bào)警，生產(chǎn)人員對(duì)整個(gè)裝置系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整?？焖俳禍厥议L(zhǎng)度為1-2米，寬度為0.5-1米，高度為0.5-1米。
[0019]所述的輥軸，其特征在于整個(gè)裝置的所有輥軸由同一個(gè)主動(dòng)輪拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，每個(gè)輥軸的轉(zhuǎn)速相同，主動(dòng)輪的動(dòng)力由動(dòng)力裝置供給。