一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱電器件的制備領(lǐng)域，特別涉及一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的薄膜狀隨身檢測及能源捕獲器件一方面由于不具備可拉伸性而難以適應(yīng)人體日常運(yùn)動(dòng)，另一方面由于其不透氣而大大降低了人體服裝穿著的舒適性。纖維狀的傳感及能源捕獲器件除了與人體服裝具有很好的集成性，還能夠滿足人體運(yùn)動(dòng)所致的彎曲、拉伸、扭曲等變形，更由于纖維狀器件用于編織后的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠很好的保證服裝穿著過程中內(nèi)外氣流、熱量以及水分的交換，從而保證了服裝穿著的舒適性。
[0003]石墨烯作為一種單層碳原子sp2雜化形成的二維材料，具有超高的載流子遷移率(200000cm2V:s:)和載流子濃度(2 X 10ncm:) (K.S.Novoselov, et al.Nature.2012,490(7419):192-200)，從而在傳感及能源轉(zhuǎn)換方面有巨大的應(yīng)用潛力?；诨瘜W(xué)法制備的氧化石墨烯由于表面含氧官能團(tuán)的存在組裝宏觀石墨烯材料提供了可能。近幾年針對(duì)宏觀氧化石墨烯薄膜及石墨烯薄膜的研究越來越多，但采用光還原法對(duì)氧化石墨烯薄膜進(jìn)行可控的單面還原以及用于熱電能源轉(zhuǎn)化器件的制備還未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，本發(fā)明的組裝過程無需隔離膜，工藝簡單、成本低廉，所制備的可拉伸纖維狀熱電轉(zhuǎn)換器件具有優(yōu)異的拉伸性和柔韌性，可應(yīng)用于隨身檢測領(lǐng)域以及未來智能服裝的能源供給。
[0005]本發(fā)明的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，包括:
[0006](1)將1重量份氧化石墨分散在10-30重量份的去離子水中，機(jī)械攪拌，水浴超聲，探頭超聲，得到分散均勻的氧化石墨烯凝膠，然后采用自動(dòng)刮涂機(jī)在基底上刮涂，得到氧化石墨烯薄膜；
[0007](2)將上述氧化石墨烯薄膜進(jìn)行干燥，用液氮冷凍，冷凍干燥，從基地剝離，得到自支撐的三維氧化石墨烯薄膜；
[0008](3)將上述自支撐的三維氧化石墨烯薄膜的一面A面(頂面)進(jìn)行光還原，進(jìn)行薄膜縱向深度可控的還原，另一面B面(底面)未還原，然后裁剪為帶狀，得到薄膜帶；
[0009](4)將上述薄膜帶螺旋狀纏繞并固定在彈性聚合物纖維上，采用導(dǎo)電銀漿將薄膜帶末端連接，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，即得柔性纖維狀熱電轉(zhuǎn)換器件。
[0010]所述步驟(1)中機(jī)械攪拌5-30min，水浴超聲10_120min，探頭超聲10_180min。
[0011]所述步驟(1)中基底為銅箔、鋁箔、砂紙、PET中的一種；刮涂速度為0.5-20cm/s,刮涂厚度為100-500 μ m。
[0012]所述步驟(2)中干燥為室溫條件下干燥l_24h ;液氮冷凍時(shí)間為30-300S ;冷凍干燥時(shí)間為5-48h。
[0013]所述步驟(3)中光還原為采用氙燈光照，進(jìn)行薄膜縱向還原。
[0014]采用氣燈光照具體為:氣燈為長弧氣燈或短弧氣燈，功率為100W-1000W，輻照距離為5cm_30cm，福照時(shí)間為lmin-600mino
[0015]所述步驟(3)中薄膜帶的長徑比20-100。
[0016]所述步驟(4)中彈性聚合物纖維為:聚氨酯纖維、聚二甲基硅氧烷纖維、橡膠纖維、乳膠纖維中的一種。
[0017]步驟(4)中薄膜帶的數(shù)量根據(jù)所需纖維器件直徑的要求選擇不同層數(shù)。
[0018]步驟⑷中薄膜帶的疊層順序按照ABABAB……的形式。
[0019]本發(fā)明制備宏觀氧化石墨烯薄膜材料，采用光還原的方法制備石墨烯薄膜材料，并進(jìn)一步將這種薄膜材料組裝在彈性聚合物纖維上，制得纖維狀可拉伸熱電轉(zhuǎn)換器件。本方法組裝過程無需隔離膜，工藝簡單、成本低廉，所制備的可拉伸纖維狀熱電轉(zhuǎn)換器件具有優(yōu)異的拉伸性和柔韌性，可應(yīng)用于隨身檢測領(lǐng)域以及未來智能服裝的能源供給。
[0020]有益效果
[0021](1)本發(fā)明的纖維狀熱電轉(zhuǎn)換器件具有優(yōu)異的柔韌性、輕量性、可拉伸、可編織性、高集成性以及整合后的穿著舒適性；
[0022](2)本發(fā)明組裝過程無需隔離膜，工藝簡單、成本低廉；
[0023](3)本發(fā)明采用高通量的刮涂法制備石墨烯薄膜材料，制備速度快，更利于工業(yè)上生產(chǎn)推廣。
【附圖說明】
[0024]圖1為實(shí)施例1中的三維石墨烯薄膜掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0026]實(shí)施例1
[0027]⑴將0.5g氧化石墨分散在50mL的去離子水中，機(jī)械攪拌15min，水浴超聲60min，探頭超聲30min，得到分散均勾的氧化石墨稀凝膠；
[0028](ii)采用自動(dòng)刮涂機(jī)在1000目砂紙基底上刮涂制備氧化石墨稀薄膜，調(diào)節(jié)刮涂厚度100 μ m，在室溫環(huán)境下干燥6h，用液氮冷凍120s，冷凍干燥24h，從基底剝離，得到自支撐的三維氧化石墨烯薄膜；
[0029](iii)將(ii)中所得薄膜頂面(A面)在500W長弧氙燈下還原60min，輻照距離20cm,并將薄膜裁剪成150mm長，2mm寬的帶狀；
[0030](iv)選擇5個(gè)(iii)中所得薄膜帶，按照ABABA的疊層順序?qū)⑵淅p繞固定在直徑為1_的聚二甲基硅氧烷纖維上，端部用銀漿和導(dǎo)電膠帶連接固定。
[0031]經(jīng)上述步驟制得的氧化石墨烯凝膠分散均勻，所得薄膜柔韌性好，且具有多孔結(jié)構(gòu)。所得纖維狀熱電轉(zhuǎn)換器件拉伸可達(dá)36.5%，在30°C溫差下開路電壓信號(hào)為2.5mV，短路電流信號(hào)為5 μΑ。
[0032]其中，圖1為本實(shí)施例中的三維石墨烯薄膜掃描電子顯微鏡(SEM)照片；
[0033]實(shí)施例2
[0034](i)將0.75g氧化石墨分散在50mL的去離子水中，機(jī)械攪拌30min，水浴超聲60min，探頭超聲45min，得到分散均勾的氧化石墨稀凝膠；
[0035](ii)采用自動(dòng)刮涂機(jī)在1000目砂紙基底上刮涂制備氧化石墨稀薄膜，調(diào)節(jié)刮涂厚度80 μ m，在室溫環(huán)境下干燥5h，用液氮冷凍120s，冷凍干燥24h，從基底剝離，得到自支撐的三維氧化石墨烯薄膜；
[0036](iii)將(ii)中所得薄膜頂面(A面)在800W長弧氙燈下還原30min，輻照距離20cm,并將薄膜裁剪成150mm長，3mm寬的帶狀；
[0037](iv)選擇8個(gè)(iii)中所得薄膜帶，按照ABABA……的疊層順序?qū)⑵淅p繞固定在直徑為1_的聚氨酯纖維上，端部用銀漿和導(dǎo)電膠帶連接固定。
[0038]經(jīng)上述步驟制得的氧化石墨烯凝膠分散均勻，所得薄膜柔韌性好，且具有多孔結(jié)構(gòu)。所得纖維狀熱電轉(zhuǎn)換器件拉伸可達(dá)40.0%，在30°C溫差下開路電壓信號(hào)為1.7mV，短路電流信號(hào)為4.1 μΑ。
[0039]實(shí)施例3
[0040]⑴將1.0g氧化石墨分散在50mL的去離子水中，機(jī)械攪拌30min，水浴超聲120min，探頭超聲30min，得到分散均勾的氧化石墨稀凝膠；
[0041](ii)采用自動(dòng)刮涂機(jī)在銅箔基底上刮涂制備氧化石墨烯薄膜，調(diào)節(jié)刮涂厚度50 μ m，在室溫環(huán)境下干燥6h，用液氮冷凍60s，冷凍干燥15h，從基底剝離，得到自支撐的三維氧化石墨烯薄膜；
[0042](iii)將(ii)中所得薄膜頂面(A面)在1000W長弧氙燈下還原20min，輻照距離20cm,并將薄膜裁剪成100mm長，1mm寬的帶狀；
[0043](iv)選擇10個(gè)(iii)中所得薄膜帶，按照ABABAB……的疊層順序?qū)⑵淅p繞固定在直徑為1_的乳膠纖維上，端部用銀漿和導(dǎo)電膠帶連接固定。
[0044]經(jīng)上述步驟制得的氧化石墨烯凝膠分散均勻，所得薄膜柔韌性好，且具有多孔結(jié)構(gòu)。所得纖維狀熱電轉(zhuǎn)換器件拉伸可達(dá)48.5%，在30°C溫差下開路電壓信號(hào)為2.lmV，短路電流信號(hào)為3.7 μ A。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，包括: (1)將1重量份氧化石墨分散在10-30重量份的去離子水中，機(jī)械攪拌，水浴超聲，探頭超聲，得到氧化石墨烯凝膠，然后在基底上刮涂，得到氧化石墨烯薄膜； (2)將上述氧化石墨烯薄膜進(jìn)行干燥，用液氮冷凍，冷凍干燥，剝離，得到自支撐的三維氧化石墨烯薄膜； (3)將上述自支撐的三維氧化石墨烯薄膜的一面A面進(jìn)行光還原，另一面B面未還原，然后裁剪為帶狀，得到薄膜帶； (4)將上述薄膜帶螺旋狀纏繞并固定在彈性聚合物纖維上，采用導(dǎo)電銀漿將薄膜帶末端連接，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，即得柔性纖維狀熱電轉(zhuǎn)換器件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中機(jī)械攪拌5-30min，水浴超聲10_120min，探頭超聲10_180mino3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中基底為銅箔、鋁箔、砂紙、PET中的一種；刮涂速度為0.5-20cm/s，刮涂厚度為 100-500 μ mo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中干燥為室溫條件下干燥l_24h ;液氮冷凍時(shí)間為30-300S ;冷凍干燥時(shí)間為5-48h。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中光還原為采用氙燈光照，進(jìn)行薄膜縱向還原。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，其特征在于:采用氙燈光照具體為:氙燈為長弧氙燈或短弧氙燈，功率為100W-1000W，福照距離為5cm-30cm，福照時(shí)間為lmin-600min。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中薄膜帶的長徑比20-100。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)中彈性聚合物纖維為:聚氨酯纖維、聚二甲基硅氧烷纖維、橡膠纖維、乳膠纖維中的一種。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，其特征在于:步驟(4)中薄膜帶的數(shù)量根據(jù)所需纖維器件直徑的要求選擇不同層數(shù)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，其特征在于:步驟(4)中薄膜帶的疊層順序按照ABABAB……的形式。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于光還原石墨烯的纖維狀可拉伸熱電器件的制備方法，將氧化石墨分散在去離子水中，機(jī)械攪拌，水浴超聲，探頭超聲，得到氧化石墨烯凝膠，然后在基底上刮涂，干燥，用液氮冷凍，冷凍干燥，剝離，得到的自支撐的三維氧化石墨烯薄膜的一面進(jìn)行光還原，另一面未還原，然后裁剪為帶狀，螺旋狀纏繞并固定在彈性聚合物纖維上，采用導(dǎo)電銀漿將薄膜帶末端連接，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，即得。本發(fā)明組裝過程無需隔離膜，工藝簡單、成本低廉，所制備的可拉伸纖維狀熱電轉(zhuǎn)換器件具有優(yōu)異的拉伸性和柔韌性，可應(yīng)用于隨身檢測領(lǐng)域以及未來智能服裝的能源供給。
【IPC分類】H01L35/34
【公開號(hào)】CN105336840
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510906902
【發(fā)明人】李耀剛, 郭洋, 王宏志, 張青紅, 侯成義
【申請(qǐng)人】東華大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請(qǐng)日】2015年12月9日