本發明涉及一種利用石墨烯實現材料粘接的方法。
背景技術：
隨著社會的進步和科學技術的發展，人們的環保意思識和可持續發展觀念日益增強，由溶劑型粘接劑向環保型水基粘接劑轉變，已成為當前粘接劑發展的必然趨勢。傳統的粘接劑例如白乳膠、淀粉膠黏劑存在著易霉變、耐水性和耐濕性比較差和干燥速度慢等缺點；水玻璃存在著耐堿性和耐水性差；具腐蝕性、強刺激性，可致人體灼傷；酚醛樹脂膠黏劑存在著脆性大，剝離強度低，不適于作結構膠粘劑使用的缺點；應用較多的脲醛樹脂膠黏劑甲醛釋放量高、污染環境、危害健康的缺點。
石墨烯是一種具有超高導電、超高導熱、超強力學性能的二維納米材料(science，2004，306:666-669)，自發現以來就受到了極大的關注。若將石墨烯引入兩個材料的界面處，極有希望利用石墨烯的導電導熱性實現常規高分子膠黏劑所無法達到的導電、導熱粘接，并且得益于石墨烯的優異特性可使粘接界面耐受高溫以及酸堿等腐蝕環境。然而石墨烯表面缺乏極性官能團，很難直接通過石墨烯實現對材料的粘接。長久以來，膠黏劑領域對石墨烯的使用多是將其作為納米填料，以極少的添加量摻入高分子等常規粘接劑，雖然最終的性能有所提升，但這種復合粘接劑依然表現高分子膠黏劑的主體特性，例如，導電、導熱以及耐性均局限于高分子材料本身，并不能有效而充分地發揮石墨烯的獨特性能。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種實現全石墨烯粘接的方法。通過該方法可對高分子、金屬、紙、玻璃、碳材料和陶瓷等材料進行有效粘接。
為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種利用石墨烯實現材料粘接的方法，該方法為：首先將氧化石墨烯溶液均勻涂覆在多個待粘接材料之間，待其干燥后進行還原，即可在待粘接材料之間通過石墨烯實現粘接。
進一步地，所述氧化石墨烯溶液中，氧化石墨烯片層尺寸為1um～100um，尺寸小于5um的氧化石墨烯片少于等于10％，且尺寸大于30um的氧化石墨烯片不少于65％；氧化石墨烯單層率大于80％；氧化石墨烯的濃度大于等于4mg/ml。
進一步地，還原后的石墨烯的c/o大于4:1。
進一步地，所述溶劑為水、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)。
進一步地，待粘接材料包括高分子、金屬、紙和玻璃、碳材料、陶瓷等材料，以及上述不同種材料之間的粘接。
進一步地，所述還原方法為在80-100℃下利用氫碘酸或水合肼蒸汽進行化學還原。
進一步地，所述還原方法為在加壓或真空狀態下按1℃/min升溫速率緩慢升溫至100-500℃熱還原。
本發明首次提出一種在材料界面處實現100％石墨烯粘接的方法。該策略首先通過高極性的氧化石墨烯在材料界面處建立有效粘接，繼而施加可控還原，得到石墨烯粘接層，并且有效避免了還原過程中脫粘、起泡等現象的發生。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
(1)在粘接過程中，未加入任何含有高分子物質，無污染，利于環保。
(2)使用方法簡單，且粘接處具有導電導熱等特性。
(3)粘接界面穩定，可耐受高溫、濕氣、酸堿腐蝕等。
附圖說明
圖1為不同濃度石墨烯的粘結性能圖。
具體實施方式
本發明公開了一種利用石墨烯實現材料粘接的方法，粘接時無需任何高分子成分，可充分發揮石墨烯的優異特性。為了實現100％石墨烯粘接，本發明設計了一種由氧化石墨烯還原得到石墨烯的策略。因為氧化石墨烯含有更多的極性官能團，與多數材料表面具有親和性，且容易大量制備，因此更容易作為膠黏劑使用。然而，為了得到石墨烯的導電導熱耐腐蝕等特性，必須對氧化石墨烯進行還原。還原過程中由于氧化官能團的大量脫除，石墨烯極性降低，同時釋放出氣體，將大大削弱由氧化石墨烯建立起來的粘接作用。為了避免這種情況的發生，本發明采用了加壓還原和緩慢還原的還原方式，使形成的氣體緩慢釋放，減小對粘接層的破壞，并且有利于石墨烯片層間π-π相互作用的及時建立，保證了粘接層的完整。
下面通過實施例對本發明進行具體描述，本實施例只用于對本發明做進一步的說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據上述發明的內容做出一些非本質的改變和調整，均屬于本發明的保護范圍。
沒有明確指定的情況下，以下實施例涉及的百分數均為數量百分比，例如，“單層氧化石墨烯占在氧化石墨烯總量的81.5％”，意為，1000片的氧化石墨烯中，單層氧化石墨烯的數量為815片；“尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量為7±3％”，意為，100片的氧化石墨烯中，尺寸小于5um的氧化石墨烯片的數量為7±3片。另外，c/o為本領域常用技術術語，表示c、o的原子個數比。
實施例1
本實施例研究了不同濃度的氧化石墨烯溶液對最終石墨烯粘結性能的影響，具體如下：
采用的氧化石墨烯溶液中，尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量為8±1％，尺寸大于30um的氧化石墨烯片的量為70±3％，其余部分尺寸為5-30um之間；整體的c/o比2:1，單層氧化石墨烯占在氧化石墨烯總量的98.8％。
分別按照2-20mg/ml的濃度配置氧化石墨烯水溶液，并將其對兩片載玻片實現粘結，粘結方法為：首先對載玻片進行親水處理，之后將氧化石墨烯粘接劑均勻涂覆在兩片載玻片之間，待其干燥后在95℃下利用水合肼蒸氣進行化學還原，還原后的石墨烯的c/o為6:1左右，兩片載玻片通過石墨烯實現粘接。
不同濃度下的粘接效果如圖1所示。從圖中可以看出，氧化石墨烯濃度在4mg/ml以上，具有較好的粘接效果。
實施例2
本實施例研究了不同尺寸分布的氧化石墨烯對最終石墨烯粘結性能的影響，具體如下：
采用的氧化石墨烯中，尺寸分布如表1所示；整體的c/o比2:1，單層氧化石墨烯含量為95.8％。按照4mg/ml的濃度配置氧化石墨烯水溶液，并將其對兩片載玻片實現粘結，粘結方法為：首先對載玻片進行親水處理，之后將氧化石墨烯粘接劑均勻涂覆在兩片載玻片之間，待其干燥后在90℃下利用氫碘酸蒸汽進行化學還原，還原后的石墨烯的c/o為5:1左右，兩片載玻片通過石墨烯實現粘接。
不同尺寸分布下的粘接效果如表1所示。從表中可以看出，尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量應少于等于10％，且尺寸大于30um的氧化石墨烯片的量應不小于65％。
表1
實施例3
本實施例研究了不同還原程度的石墨烯(不同c/o值)對最終粘結性能的影響，具體如下：
采用的氧化石墨烯尺寸在30～80um，c/o變化范圍為2:1～3:1，單層氧化石墨烯占在氧化石墨烯總量的84.1％。按照8mg/ml的濃度配置氧化石墨烯水溶液，并將其對兩片ito實現粘結，粘結方法為：首先對ito進行親水處理，之后將氧化石墨烯粘接劑均勻涂覆在兩片ito之間，待其干燥后在真空狀態下按1℃/min升溫速率緩慢升溫至300℃進行熱還原，或者水合肼蒸氣化學還原，通過對氧化石墨烯c/o的選擇以及還原方法的控制，使還原后的石墨烯的c/o比分別為3.5:1、4:1、5:1：6:1；
一方面，通過對4個粘結試樣進行粘結性能測試，發現隨著c/o比的升高(還原程度的增加)，粘結效果有所下降，然而，由于石墨烯片的尺寸分布，以及單層率等優勢，使得其始終保持較好的粘結效果；另一方面，對兩個粘結后的ito的導電性進行測試，測試結果表明，隨著c/o比的升高，粘接層的導電性顯著提升，在c/o比為4:1時，即達到了ito本身的導電性能。
通過以上實施例可知，本領域技術人員利用本發明的粘結方法，可根據對實際粘結效果以及導電率的要求，對碳氧比以及尺寸分布、氧化石墨烯前軀體濃度進行調整，以實現完好粘結。例如，對導電率要求高的，需要還原后的石墨烯具備高碳氧比，此時，即可通過提高大尺寸石墨烯片的含量、或提高氧化石墨烯前軀體濃度來實現粘結。
實施例4
(1)取單層率為81.4％的氧化石墨烯，尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量為6％，尺寸大于30um的氧化石墨烯片的量為87％，其余部分尺寸為5-30um之間；配置濃度為4mg/ml的氧化石墨烯分散液，分散相為水，將其作為石墨烯粘接溶液。
(2)將石墨烯粘接溶液均勻涂覆在聚苯胺材料表面，待其干燥后即實現粘接。經測試粘接強度達0.11mpa。
(3)經氫碘酸溶液90℃還原處理30分鐘后，測得其c/o為4:1，經測試在粘接處粘接強度達0.04mpa，且具有優異的導電性，并可耐酸、耐堿和耐鹽。
實施例5
(1)取單層率為96.3％的氧化石墨烯，尺寸小于5um的氧化石墨烯片的量為3％，尺寸大于30um的氧化石墨烯片的量為91％，其余部分尺寸為5-30um之間；配置濃度為16mg/ml的氧化石墨烯分散液，分散相為水，將其作為石墨烯粘接溶液。
(2)將石墨烯粘接溶液均勻涂覆在鐵片表面，待其干燥后即實現粘接。經測試粘接強度達0.36mpa。
(3)經水合肼溶液70℃還原處理20分鐘后，測得其c/o為4:1，經測試在粘接處粘接強度達0.04mpa，且具有導電性，并可耐酸、耐堿和耐鹽。
實施例6
(1)取單層率為97.2％的氧化石墨烯，尺寸均控制在50～80um；配置濃度為12mg/ml的氧化石墨烯分散液，分散相為dmf，將其作為石墨烯粘接溶液。
(2)將石墨烯粘接溶液均勻涂覆在導電玻璃材料表面，待其干燥后即實現粘接。經測試粘接強度達0.11mpa。
(3)按1℃/min升溫速率緩慢升溫至200℃熱還原處理20分鐘后，測得其c/o為4:1，經測試在粘接處粘接強度達0.03mpa，且具有導電性，并可耐酸、耐堿和耐鹽。
實施例7
(1)取單層率為95.4％的氧化石墨烯，尺寸均控制在50～80um；配置濃度為18mg/ml的氧化石墨烯分散液，分散相為水，將其作為石墨烯粘接溶液。
(2)將石墨烯粘接溶液均勻涂覆在導電陶瓷材料表面，待其干燥后即實現粘接。經測試粘接強度達0.22mpa。
(3)經氫碘酸溶液80℃還原處理60分鐘后，測得其c/o為5:1，經測試在粘接處粘接強度達0.02mpa，且具有導電性，并可耐酸、耐堿和耐鹽。