[发明专利]一种直接挤出型3D打印制备三维石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种直接挤出型3D打印制备三维石墨烯的方法，包括：将石墨稀、分散剂分散于乙醇中，得到石墨烯悬浮液；将增稠剂和石墨烯悬浮液混合后，在70～90℃下水浴加热1～2小时，得到石墨烯浆料；将所得石墨烯浆料转移至打印成型设备中，根据三维模型逐层打印，得到所述三维石墨烯。本发明采用3D打印的方式可以对模型进行设计，获得周期性结构的多孔三维石墨烯，而且成型速度快，周期短，具有规模化的潜力。

技术领域

本发明涉及一种利用直接挤出型3D打印制备三维石墨烯的方法，属于石墨烯技术领域。

背景技术

石墨烯是仅有一个原子厚度的准二维晶体。由于具有超高比表面积、导电性、导热性、高透明度和弹性模量等优异性能。自2004年被发现以来，石墨烯便在全世界引发了广泛的关注和研究，并被应用于超级电容器、锂离子电池、纳米复合材料、传感器等诸多领域的研究。作为二维石墨烯组装体的三维石墨烯，不仅具有石墨烯诸多优良性质，其特殊的三维网络结构还赋予了其更高的比表面积、大的孔隙率、相互连接的导电网络和特殊的微环境，使其具有更广泛的应用。

但传统的三维石墨烯的制备方法，诸如自组装法、直接交联法等所制备的三维石墨烯的孔隙都是随机分布的，难以人为控制，这在很大程度上限制了石墨烯优良性质的发挥。虽然模板法可以获得复刻模板的结构，但是在蚀刻模板的过程中容易引起三维骨架的坍塌或变形。且所用原料多为氧化石墨烯，需要经过还原处理，易降低石墨烯原有的性能。因此，研究如何以石墨烯为原料制备结构可控的三维石墨烯具有重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种利用直接挤出工艺进行3D打印制备三维石墨烯的方法，以实现石墨烯宏观应用。

为此，本发明提供了一种直接挤出型3D打印制备三维石墨烯的方法，包括：

将石墨稀、分散剂分散于乙醇中，得到石墨烯悬浮液；

将增稠剂和石墨烯悬浮液混合后，在70～90℃下水浴加热1～2小时，得到石墨烯浆料；

将所得石墨烯浆料转移至打印成型设备中，根据三维模型逐层打印，得到所述三维石墨烯。

本发明直接以石墨烯为原料，避免以氧化石墨烯为原料所需的还原过程，最大程度上保持石墨烯固有性能。本发明还以乙醇(无水乙醇)作为溶剂，通过调控石墨烯分散剂和粘结剂的配比，并在在70～90℃下水浴加热1～2小时去除大部分乙醇，最后得到可直接用于3D打印的石墨烯浆料，其中乙醇的沸点低，室温下可快速挥发，促使打印结构粘度增加而获得自支撑能力而不致坍塌，实现快速成型，并保证无毒无害。然后再利用3D打印机，通过调整模型、气压、移动速度等打印参数，制备结构完整清晰、能够自支撑、形状可控的三维石墨烯。其中3D打印作为一种增材制造技术，利用数字模型和分层打印的思想，通过程序控制将原料从喷嘴中挤出到基板上，逐层叠加来制备三维材料，其特点在于成型速度快，可个性化定制打印产品，而且打印材料的范围广，包括树脂、金属、陶瓷、玻璃等等。采用3D打印可以根据需要来进行模型设计，获得周期性结构、较大尺寸、形状多样化的三维石墨烯。

较佳地，所述石墨烯与乙醇的投料质量比为1：(80～200)。适当提高乙醇加入量，有助于石墨烯的充分分散。

较佳地，所述分散剂为乙二醇丁醚、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、十二烷基磺酸钠、聚奈酸磺酸钠盐、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种，所述分散剂和石墨烯的质量比为1：(2～8)。

较佳地，所述增稠剂为邻苯二甲酸二丁酯、聚乙烯醇缩丁醛、乙基纤维素、甲基纤维素、聚乙烯亚胺中的至少一种，所述增稠剂和石墨烯的质量比为1：(3～10)。

较佳地，所述分散或/和混合的方式为超声分散，所述超声分散的功率为60～600W、时间为1～12小时。