一种高纯石墨烯膜的生产设备及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯膜领域,特别涉及一种高纯石墨烯膜的生产设备及其制备方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯是从石墨材料中分离出来的,石墨烯膜具有高导热性、高导电性和超柔性的性能,对柔软电子器件的发展意义重大,是被工业界寄予厚望的新一代材料。但现有石墨烯膜的实际表现却差强人意,在工业界普及的速度也不够理想。这是因为,现有石墨烯膜中的杂质污染程度很高,这对石墨烯膜的性能表现有很大影响。比如,受杂质污染的石墨烯膜作为电极的性能比理论预期值低50%。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种高纯石墨烯膜的生产设备及其制备方法,旨在解决现有石墨烯膜中的杂质污染程度较高,严重影响其性能的问题。
本发明的技术方案如下:
一种高纯石墨烯膜的生产设备,其中,包括密封腔体,设置在所述密封腔体内的承载平台以及等离子加热器,所述承载平台用于承载初始石墨烯膜,所述等离子加热器位于所述承载平台的上方并用于对所述初始石墨烯膜进行加热制得高纯石墨烯。
所述高纯石墨烯膜的生产设备,其中,所述承载平台的两端均设置有卷轴,所述卷轴与驱动电机连接,所述驱动电机用于驱动所述卷轴旋转。
所述高纯石墨烯膜的生产设备,其中,所述初始石墨烯膜粘附在所述承载平台表面。
所述高纯石墨烯膜的生产设备,其中,所述等离子加热器的加热区宽度大于等于所述初始石墨烯膜的宽度。
所述生产设备的高纯石墨烯膜制备方法,其中,包括步骤:
将初始石墨烯膜粘附在所述密封腔体内的承载平台上,并向所述密封腔体内通入惰性气体;
采用所述等离子加热器对所述初始石墨烯膜进行加热,使所述初始石墨烯膜内的杂质气化,得到纯化的高纯石墨烯膜。
所述的高纯石墨烯膜制备方法,其中,所述采用所述等离子加热器对所述初始石墨烯膜进行加热的步骤还包括:
启动驱动电机,使所述卷轴带动所述承载平台以及初始石墨烯膜匀速旋转。
所述的高纯石墨烯膜的制备方法,其中,所述惰性气体为氮气、氩气、氖气和氦气中的一种或多种。
所述的高纯石墨烯膜的制备方法,其中,所述密封腔体为耐高温密封坩埚。
有益效果:本发明提供了一种高纯石墨烯膜的制备方法,通过将初始石墨烯膜粘附在所述密封腔体内的承载平台上,并向所述密封腔体内通入惰性气体;采用等离子加热器对所述初始石墨烯膜进行加热,使所述初始石墨烯膜内的杂质气化,得到纯化的高纯石墨烯膜。本发明采用等离子加热器直接对初始石墨烯膜进行加热,可以高效利用加热能源,制备成本低,且其加工速度快,可以连续生产。由于本发明采用等离子加热器对初始石墨烯膜中的每一寸膜都是进行同样的加热,能够均匀地去除初始石墨烯膜中的杂质,因此制得的高纯石墨烯产品一致性好。
附图说明
图1为本发明一种高纯石墨烯膜的生产设备较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明一种高纯石墨烯膜的制备方法较佳实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种高纯石墨烯膜的生产设备及其制备方法,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
现有技术在制备高纯石墨烯膜时,通常将石墨烯膜堆积在加热炉中,然后通过对加热炉进行加热,使得石墨烯膜中的杂质气化去除。然而,这种纯化方式由于是对加热炉整体进行加热,其热能利用效率低,且由于石墨烯膜堆积在一起,导致石墨烯膜的纯化效果一致性较差。
基于现有技术所存在的问题,本发明提供了一种高纯石墨烯膜的生产设备,如图1所示,其包括密封腔体10,设置在所述密封腔体10内的承载平台20以及等离子加热器30,所述承载平台20用于承载初始石墨烯膜,所述等离子加热器30位于所述承载平台20的上方并用于对所述初始石墨烯膜进行加热制得高纯石墨烯。
本实施例通过将初始石墨烯膜粘附在所述密封腔体内10的承载平台20上,并向所述密封腔体内通入惰性气体;采用等离子加热器30对所述初始石墨烯膜进行加热,使所述初始石墨烯膜内的杂质气化,得到纯化的高纯石墨烯膜。本实施例采用等离子加热器30直接对初始石墨烯膜进行加热,可以高效利用加热能源,制备成本低,且其加工速度快,可以连续生产。由于本实施例采用等离子加热器对初始石墨烯膜中的每一寸膜都是进行同样的加热,能够均匀地去除初始石墨烯膜中的杂质,因此制得的高纯石墨烯产品一致性好。
在一些实施方式中,如图1所示,所述承载平台20的两端均设置有卷轴40,所述卷轴40与驱动电机连接,所述驱动电机用于驱动所述卷轴40旋转。具体来讲,所述承载平台20由柔性耐高温材料制备而成,所述初始石墨烯可粘附在所述承载平台表面,所述卷轴可缠绕多圈所述承载平台。当所述驱动电机带动所述卷轴逆时针旋转时,则位于右侧的卷轴释放所述承载平台,位于左侧的卷轴卷收所述承载平台;所述驱动电机带动所述卷轴顺时针旋转时,则位于左侧的卷轴释放所述承载平台,位于右侧的卷轴卷收所述承载平台。本实施例中,位于左侧的卷轴和位于右侧的卷轴的转速相同,使得位于两个所述卷轴之间的承载平台始终位于同一平面。
在一些实施方式中,所述密封腔体为耐高温密封坩埚,但不限于此。
在一些实施方式中,所述等离子加热器是利用工作气体电离形成等离子体的高温和等离子体中自由电子与正离子复合时释放的能量进行的电加热,工作气体根据使用要求有氮、氢、氩,或氮和氩、氩和氢的混合气体等。气体电离形成的等离子体是由未电离的气体分子、原子以及总电荷量相等的正离子、自由电子和负离子组成的,其聚集态列在固态、液态和气态之后,称为物质的第四态。等离子体在总体上呈中性,但有较大的导电率,其运动主要受电磁力的支配。等离子体有很高的温度,气体电离的程度愈高,等离子体的温度也愈高。
在一些实施方式中,采用等离子加热器对待净化材料进行加热具有温度高、功率密度大、热量集中的特点,且等离子体一般呈中性,可避免待净化材料的氧化和还原,还可在真空或惰性气氛中加热,与电子束加热和激光加热相比,设备和生产费用都较低。因此,本实施例采用等离子加热器对石墨粉进行直接加热净化,可有效提升热利用率,从而达到节能的目的。
在一些实施方式中,根据电离度的不同,等离子体分为超高温、超高能量密度的完全电离等离子体(如核聚度)和电离度不足1%的弱电离等离子体(如电弧放电等)两大类,本实施例应用的等离子体属后者,这种弱电离等离子体根据其中性粒子、离子、电子三者之间是否呈热平衡态,又分为平衡等离子体,即高温等离子体和非平衡等离子体(即低温等离子体)两类。高温等离子体的温度很高,约为4500℃至数万摄氏度,热容量也非常大,可用于物料的加热、熔化;低温等离子体是在真空条件下,用高压电场或灯丝电子发射等方法使工作气体电离而成,温度较低,一般不超过1000℃,而且热容量也非常小,主要用于材料表面处理。
在一些实施方式中,所述等离子加热器可以为等离子加热枪。所述等离子加热枪包括电弧等离子枪和高频等离子枪两种,所述等离子加热枪的原理为:阴极(通常用钍钨或铈钨电极)与作为阳极的铜喷嘴之间产生由工作气体弧光放电而形成的电弧,电弧等离子体由于工作气体的压力和喷嘴口的压缩而形成小直径的流束,其温度在3000℃以上,气流速率一般在10m/s以上,可高达5000m/s。因为电弧没有转移到被加热物料上,所以叫非转移弧式;若电极与喷嘴之间产生的电弧在生成后即被转移到接电源阳极的物料上,则叫转移弧式。在阴极与物料间的电弧由于机械压缩效应(由喷嘴口引起)、热收缩效应(由于弧柱中心比其外围温度高、电离度高、导电率大,电流自然趋于弧柱中心)和磁压缩效应(由弧柱本身的磁场引起)三者的联合作用,而受到强烈压缩,弧柱变得细长(细如针,也可长到1m以上)。在与弧柱内部膨胀压力保持平衡的条件下,弧柱中心气体高度电离,其温度可达10000~52000℃,气流速度可高达10000m/s。转移弧等离子枪在等离子加热中用得最广。在实际应用中,有时除阴极与物料之间的电弧-主电弧外,仍保留阴极与铜喷嘴间的电弧-维持电弧。
在一些实施方式中,为实现所述等离子加热器对所述初始石墨烯膜进行均匀加热,所述等离子加热器的加热区宽度大于等于所述初始石墨烯膜的宽度。
在一些实施方式中,还提供一种基于所述生产设备的高纯石墨烯膜制备方法,如图2所示,其包括步骤:
S10、将初始石墨烯膜粘附在所述密封腔体内的承载平台上,并向所述密封腔体内通入惰性气体;
S20、采用所述等离子加热器对所述初始石墨烯膜进行加热,使所述初始石墨烯膜内的杂质气化,得到纯化的高纯石墨烯膜。
具体来讲,将初始石墨烯膜粘附在所述密封腔体内的承载平台上,并向所述密封腔体内通入惰性气体;采用等离子加热器对所述初始石墨烯膜进行加热,同时启动驱动电机,使卷轴带动所述承载平台以及初始石墨烯膜匀速旋转,使所述承载平台上的初始石墨烯依次经过所述等离子加热器加热,所述初始石墨烯膜内的杂质经过加热气化并被去除,得到纯化的高纯石墨烯膜逐渐被所述卷轴卷收起来。本实施例采用等离子加热器直接对初始石墨烯膜进行加热,可以高效利用加热能源,制备成本低,且其加工速度快,可以连续生产。由于本实施例采用等离子加热器对初始石墨烯膜中的每一寸膜都是进行同样的加热,能够均匀地去除初始石墨烯膜中的杂质,因此制得的高纯石墨烯产品一致性好。
在一些实施方式中,为防止所述初始石墨烯在加热过程中与其他物质发生化学反应,在所述密封腔体内通入惰性气体,所述惰性气体为氮气、氩气、氖气和氦气中的一种或多种,但不限于此。
综上所述,本发明提供了一种高纯石墨烯膜的制备方法,通过将初始石墨烯膜粘附在所述密封腔体内的承载平台上,并向所述密封腔体内通入惰性气体;采用等离子加热器对所述初始石墨烯膜进行加热,使所述初始石墨烯膜内的杂质气化,得到纯化的高纯石墨烯膜。本发明采用等离子加热器直接对初始石墨烯膜进行加热,可以高效利用加热能源,制备成本低,且其加工速度快,可以连续生产。由于本发明采用等离子加热器对初始石墨烯膜中的每一寸膜都是进行同样的加热,能够均匀地去除初始石墨烯膜中的杂质,因此制得的高纯石墨烯产品一致性好。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。