利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层的方法与流程

1.本发明涉及石墨烯复合材料技术领域，具体涉及一种利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层的方法。


背景技术：

2.石墨烯是一种具有单原子层厚度的二维碳材料，因其具有极好的机械性、高导电性、高导热性及电子迁移率等优异的性能，所以在集成电路、电池能源、电极材料等领域有广大的应用前景市场。石墨烯包覆的复合材料往往能极大改善原有材料的物理特性，使原材料具有新的应用价值。常用的石墨烯包覆技术有物理混合法和氧化石墨烯还原包覆法，前者是通过将石墨烯与材料在高温环境下搅拌混合，其不足之处是包覆的石墨烯很厚，而且只适用于颗粒状或者毫米量级粒径的原材料进行混合包覆，对大尺寸材料及微小颗粒的包覆有极大的局限性。氧化石墨烯还原包覆法则是将原材料浸泡在氧化石墨烯分解液当中，取出烘干后，再采用高温热还原的方式，将包覆在原材料表面的氧化石墨烯还原成石墨烯，包覆在原材料的表面，其不足之处在于石墨烯难以包覆在材料性质差别较大的材料以及大尺寸物件上如玻璃、金属等，包覆不牢固。
3.玻璃纤维(简称玻纤)是一种具有细如丝、软如棉等特性的玻璃材料，其优势是抗拉力强、颜色银白、无毒无味、耐酸碱及腐蚀、耐高温、绝缘性好等，应用之一是被作为掺杂材料用于改善树脂、高分子薄膜的抗拉应力及弯曲强度。而本技术的发明人经过研究发现，目前还没有一种合适的方式能将石墨烯包覆在玻璃纤维的表面，原因不仅在于玻璃表面与石墨烯性质差别太大，普通方式制备的石墨烯无法稳定包覆，而且玻纤是一种截面直径在微米量级、径向长度在毫米以上的细长材料，适合该材料的石墨烯包覆技术更是难上加难。因此需要创新性开发一种新的工艺方法来解决这样的难题。


技术实现要素：

4.针对现有石墨烯包覆技术无法在玻璃纤维表面制备形成有效包覆的技术问题，本发明提供一种利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层的方法，该方法经过加工处理，能在玻纤的表面形成一层厚度薄、稳定性高、导电率高的石墨烯包覆层，并且包覆均匀，适用于玻纤这种截面直径小、径向长度大的纤维类型材料的包覆，该方法不仅解决了传统石墨烯包覆技术无法包覆性质差异大、尺寸维度差别大等材料的难题，而且新合成的石墨烯包覆玻纤材料还增加了玻纤的应用价值。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
6.利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层的方法，包括以下步骤：
7.s1、玻纤表面改性处理，将硅烷偶联剂和去离子水溶液混合，配置成质量分数为1～10％的硅烷偶联剂稀释液，接着将玻纤浸入硅烷偶联剂稀释液中，在60～70℃的水浴锅中加热处理2小时，然后取出水浴浸泡后的玻纤，用乙醇进行清洗并烘干，获得表面处理的玻纤；
8.s2、涂布聚酰亚胺薄膜，将表面处理的玻纤悬挂在可旋转设备上并一起放入保温加热设备内，所述保温加热设备内的温度设置在50～100℃，取一定量的聚酰亚胺溶液稀释液装入喷洒设备中，所述喷洒设备也置于保温加热设备内并与悬挂的玻纤相对，接着往玻纤上均匀的喷涂聚酰亚胺溶液稀释液，边喷涂聚酰亚胺溶液稀释液边360度旋转悬挂的玻纤，待玻纤表面的溶剂挥发，并形成聚酰亚胺薄膜包覆在玻纤表面，则制成石墨烯玻纤前驱体；
9.s3、激光烧蚀石墨烯玻纤前驱体，将石墨烯玻纤前驱体均匀单层地平铺在平板上，要求石墨烯玻纤前驱体彼此不覆盖，接着将激光器输出的高功率激光束经过振镜系统的高反镜反射后照射在石墨烯玻纤前驱体上，通过高反镜改变激光在石墨烯玻纤前驱体表面的烧蚀区域，然后将平板上的石墨烯玻纤前驱体翻转180度，再用高功率激光束烧蚀石墨烯玻纤前驱体的另一面，聚酰亚胺包覆的玻纤经过激光烧蚀后，表面的聚酰亚胺薄膜转变成石墨烯薄膜，并均匀地包覆在玻纤表面。
10.与现有技术相比，本发明提供的利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层的方法具有以下优点：
11.1、先用硅烷偶联剂将玻纤表面进行处理，在玻纤表面形成了连接玻璃和聚酰亚胺的分了桥梁，增加了聚酰亚胺在玻纤表面成膜的稳定性和均匀性。
12.2、将玻纤悬挂在保温加热设备内，并保持边喷涂镀膜边旋转悬挂的玻纤，由此既可以通过改变喷涂时间来控制玻纤表面的聚酰亚胺薄膜厚度，又可以使聚酰亚胺均匀的包覆在玻纤表面。
13.3、激光烧蚀制备石墨烯技术具有不含催化剂、无毒、非接触合成、可控精度高等优势，能快速地将玻纤表面包覆的聚酰亚胺薄膜烧蚀成多孔石墨烯，而且通过激光烧蚀方式产生的3d石墨烯具有高比表面积、高热稳定性和优异的导电性，因而极大的降低了合成石墨烯原材料带来的污染问题和成本。
14.4、本方法克服了传统石墨烯包覆技术无法包覆细、长类型材料的难题，所获得的石墨烯包覆玻纤材料具有电磁波吸收能力、导电性及导热性，极大地拓展了玻纤的应用前景。
15.进一步，所述步骤s1中的硅烷偶联剂为苯基三甲氧基硅烷或-y基官能团硅烷。
16.进一步，所述步骤s2中的聚酰亚胺溶液稀释液是将聚酰亚胺溶液与去离子水混合稀释后得到的。
17.进一步，所述步骤s2中的保温加热设备为恒温干燥箱、开放式恒温加热平台或通风橱。
18.进一步，所述步骤s3中的激光器为连续激光器或脉冲激光器，输出的激光波段为可见光波段、近红外或红外波段。
19.进一步，所述连续激光器为二氧化碳激光器。
附图说明
20.图1是本发明提供的利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层的方法流程示意图。
21.图2是本发明提供的玻纤表面改性处理的工艺流程示意图。
22.图3是本发明提供的在玻纤表面旋转喷涂聚酰亚胺薄膜的结构示意图。
23.图4是本发明提供的激光烧蚀石墨烯包覆玻纤前驱体的结构示意图。
24.图5是本发明提供的利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层的拉曼光谱图。
25.图中，201、玻纤；202、旋转设备；203、保温加热设备；204、喷洒设备；301、石墨烯玻纤前驱体；302、平板；303、激光器；304、激光束；305、高反镜。
具体实施方式
26.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，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.请参考图1所示，本发明提供一种利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层的方法，包括以下步骤：
29.s1、玻纤表面改性处理，将硅烷偶联剂和去离子水溶液混合，配置成质量分数为1～10％的硅烷偶联剂稀释液，接着将玻纤浸入硅烷偶联剂稀释液中，在60～70℃的水浴锅中加热处理2小时，然后取出水浴浸泡后的玻纤，用乙醇进行清洗并烘干，获得表面处理的玻纤，具体请参考图2所示；
30.s2、涂布聚酰亚胺薄膜，将表面处理的玻纤201悬挂在可旋转设备202上并一起放入保温加热设备203内，所述保温加热设备203内的温度设置在50～100℃，并且具有风干功能，取一定量的聚酰亚胺溶液稀释液装入喷洒设备204中，所述喷洒设备204也置于保温加热设备203内并与悬挂的玻纤201相对，接着往玻纤201上均匀的喷涂聚酰亚胺溶液稀释液，边喷涂聚酰亚胺溶液稀释液边360度旋转悬挂的玻纤201，待玻纤表面的溶剂挥发，并形成聚酰亚胺薄膜包覆在玻纤表面，则制成石墨烯玻纤前驱体，具体请参考图3所示；
31.s3、激光烧蚀石墨烯玻纤前驱体，将石墨烯玻纤前驱体301均匀单层地平铺在平板302上，要求石墨烯玻纤前驱体301彼此不覆盖，接着将激光器303输出的高功率激光束304经过现有振镜系统的高反镜305反射后照射在石墨烯玻纤前驱体301上，通过高反镜305改变激光在石墨烯玻纤前驱体301表面的烧蚀区域，然后将平板302上的石墨烯玻纤前驱体301翻转180度，再用高功率激光束304烧蚀石墨烯玻纤前驱体301的另一面，聚酰亚胺包覆的玻纤经过激光烧蚀后，表面的聚酰亚胺薄膜转变成石墨烯薄膜，并均匀地包覆在玻纤表面，具体请参考图4所示。
32.本方法得到的利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层的拉曼光谱图如图5所示，从该图中可以看出，g峰与2d峰表明聚酰亚胺薄膜已经在激光的作用下转变成石墨烯薄膜，而且g峰比2d峰的强度高，表明包覆在玻纤表面的是多层石墨烯，具有更好的吸波特性。
33.与现有技术相比，本发明提供的利用激光烧蚀在玻璃纤维表面诱导石墨烯包覆层
的方法具有以下优点：
34.1、先用硅烷偶联剂将玻纤表面进行处理，在玻纤表面形成了连接玻璃和聚酰亚胺的分了桥梁，增加了聚酰亚胺在玻纤表面成膜的稳定性和均匀性。
35.2、将玻纤悬挂在保温加热设备内，并保持边喷涂镀膜边旋转悬挂的玻纤，由此既可以通过改变喷涂时间来控制玻纤表面的聚酰亚胺薄膜厚度，又可以使聚酰亚胺均匀的包覆在玻纤表面。
36.3、激光烧蚀制备石墨烯技术具有不含催化剂、无毒、非接触合成、可控精度高等优势，能快速地将玻纤表面包覆的聚酰亚胺薄膜烧蚀成多孔石墨烯，而且通过激光烧蚀方式产生的3d石墨烯具有高比表面积、高热稳定性和优异的导电性，因而极大的降低了合成石墨烯原材料带来的污染问题和成本。
37.4、本方法克服了传统石墨烯包覆技术无法包覆细、长类型材料的难题，所获得的石墨烯包覆玻纤材料具有电磁波吸收能力、导电性及导热性，极大地拓展了玻纤的应用前景。
38.作为具体实施例，所述步骤s1中的硅烷偶联剂为苯基三甲氧基硅烷或-y基官能团硅烷，由此可以对待处理的玻纤表面进行改性，增加后续步骤中聚酰亚胺在玻纤表面的附着强度和均匀性。
39.作为具体实施例，所述步骤s2中的聚酰亚胺溶液稀释液是将聚酰亚胺溶液与去离子水混合稀释后得到的，由此可以增加溶液的流动性，使聚酰亚胺溶液能更加均匀的喷涂在玻纤表面。
40.作为具体实施例，所述步骤s2中的保温加热设备为现有的恒温干燥箱、开放式恒温加热平台或通风橱，由此可以对喷涂有聚酰亚胺溶液的玻纤表面进行恒温加热干燥。
41.作为具体实施例，所述步骤s3中的激光器为连续激光器或脉冲激光器，输出的激光波段为可见光波段、近红外或红外波段，具体当激光器输出的激光波段为红外波段时，振镜系统中安装的也为红外波段的高反镜。作为优选实施例，所述连续激光器为二氧化碳激光器，由此可以输出连续的高功率激光。
42.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。