一种利用塑料废品制备高导电率自支撑石墨烯膜的方法与流程

本发明涉及一种塑料废品的利用方法，特别涉及一种利用塑料废品制备高导电率自支撑石墨烯膜的方法，属于功能材料领域。

背景技术：

环境污染问题日益严重，尤其是生活塑料废品难以降解，循环利用有限，成为了环境污染问题的重要来源，同时也造成了严重的资源浪费。目前，塑料制品的处理包括焚烧、填埋以及塑料再生等方式，但这些方法仍不能达到有效、有价值回收利用的目的。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面层状结构，单层碳原子排列紧密。石墨烯不仅具有较高的比表面积和多孔结构，还具有十分优异的导电性能、力学性能及导热性能，吸引了国内外研究者的较多关注，其中自支撑石墨烯膜的应用领域较为广泛。

目前，制备自支撑石墨烯膜主要使用化学氧化石墨法(hummers法)合成的氧化石墨烯溶液为原料，利用过滤沉积法、旋转涂覆法以及界面自组装等方法得到氧化石墨烯膜，再通过化学还原或者高温热还原最终获得石墨烯膜。但是这些方法会引入大量杂质和缺陷，同时氧化石墨烯膜的不完全还原会严重影响石墨烯膜的导电性。

技术实现要素：

针对现有塑料回收利用的问题，以及自支撑石墨烯膜导电性较低的问题，本发明的目的在于提供一种利用塑料废品制备高导电率自支撑石墨烯膜的方法，所述方法采用生活塑料废品为原料，在高温管式炉中直接制备一种高质量的自支撑石墨烯膜，制备过程简单，成本较低；而且制备的石墨烯膜厚度可控，具有较高的导电性能以及良好的柔韧性，同时实现了塑料废品的有效利用。

本发明的目是通过以下技术方案实现的。

一种利用塑料废品制备高导电率自支撑石墨烯膜的方法，所述方法步骤如下：

步骤1.先将塑料废品进行清洁处理，再将洁净的塑料废品剪碎；

步骤2.先将金属镍箔放入乙醇和丙酮溶液中进行超声清洗，再将清洗后的金属镍箔与剪碎的塑料废品放入通氢气和氩气的管式炉中，然后在850℃～1050℃下反应120min～180min，在金属镍箔上得到石墨烯膜；

步骤3.将负载石墨烯膜的金属镍箔置于盐酸和氯化铁的混合溶液中，待金属镍箔刻蚀完全后，将石墨烯膜用水清洗并干燥，得到所述石墨烯膜；

其中，管式炉中，氩气流量为150sccm～250sccm，氢气流量为20sccm～30sccm；所述混合溶液中，盐酸浓度为0.5mol/l～2mol/l，氯化铁浓度为1mol/l～3mol/l。

优选地，管式炉的长度为1m～1.5m时，塑料废品与金属镍箔在管式炉中的间隔为20cm～40cm。

优选地，塑料废品的质量与金属镍箔的表面积比例关系为1.3mg/cm²～3.4mg/cm²。

管式炉中的升温速率优选5℃/min～15℃/min。

有益效果：

本发明所述方法，原料廉价，制备成本极低，塑料废品利用率可达38.85％，实现了塑料废品的高价值转化利用；工艺过程简单，在制备过程中避免使用过多的化学物质，从而得到的石墨烯膜较为干净，不需要繁琐的后处理过程，质量高缺陷较少，而且通过改变原料用量可以实现对石墨烯膜厚度的调控；所制备的石墨烯膜具有良好的柔韧性和导电性，可作为高性能导电材料，电导率可达3824s/cm。

附图说明

图1为实施例1中得到的石墨烯膜的x射线衍射(xrd)谱图与石墨的标标准xrd谱图的对比图。

图2为实施例1中得到的石墨烯膜的拉曼光谱图。

图3为实施例1中得到的石墨烯膜的扫描电子显微镜(sem)图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。

以下实施例中所用测试设备如下：

扫描电子显微镜：日本电子jsm-7001f；

x射线衍射仪：德国布鲁克d8系列；

共聚焦拉曼光谱仪：英格兰(renishawplc)rm2000；

kdy-1型四探针电阻率、方阻测试仪：昆德科技有限公司。

实施例1

(1)选取成分为聚对苯二甲酸乙二醇酯的矿泉水瓶为原料，将矿泉水瓶用乙醇及超纯水清洗干净，并将其剪碎；

(2)将尺寸为15cm×10cm×40μm的金属镍箔放入乙醇和丙酮溶液进行超声清洗，再将清洗后的金属镍箔与500mg剪碎的塑料废品放入长1m的管式炉中，且塑料废品与金属镍箔放置位置间隔20cm；再向管式炉中通入流量为150sccm的氩气以及流量为20sccm的氢气，并以5℃/min的升温速率将管式炉升温至850℃，然后保温160min，随炉冷却，在金属镍箔上得到厚度为2μm的石墨烯膜，并计算得到塑料废品的利用率为17.71％；

(3)将负载石墨烯膜的金属镍箔转移至盛有盐酸浓度为0.5mol/l和氯化铁浓度为2mol/l混合溶液的玻璃槽中，待金属镍箔刻蚀完全后，将石墨烯膜引到盛水的玻璃槽中清洗，再将石墨烯膜转移到聚四氟乙烯板上进行干燥，得到干燥的石墨烯膜。

本实施例所制备的石墨烯膜为黑色，可以进行弯折，具有较好的柔韧性。从图1中的xrd谱图可知，石墨烯膜石墨化程度较高，与石墨特征峰相似。根据图2中拉曼光谱测试结果可以计算得到石墨烯膜的d峰强度和g峰强度之比(id/ig)为0.066，说明所制备的石墨烯膜缺陷较少，质量较好。从图3中的sem图中可以得知，石墨烯膜具有均匀的层状结构。通过测试并计算得到所制备的石墨烯膜的电导率为3017s/cm。

实施例2

(1)选取成分为聚乙烯的清洗剂瓶为原料，将清洗剂瓶用乙醇及超纯水清洗干净，并将其剪碎；

(2)将尺寸为15cm×10cm×40μm的金属镍箔放入乙醇和丙酮溶液进行超声清洗，再将清洗后的金属镍箔与300mg剪碎的塑料废品放入长1.2m的管式炉中，且塑料废品与金属镍箔放置位置间隔30cm；再向管式炉中通入流量为200sccm的氩气以及流量为23sccm的氢气，并以10℃/min的升温速率将管式炉升温至950℃，然后保温140min，随炉冷却，在金属镍箔上得到厚度为2μm的石墨烯膜，并计算得到塑料废品的利用率为26.07％；

(3)将负载石墨烯膜的金属镍箔转移至盛有盐酸浓度为2mol/l和氯化铁浓度为1mol/l混合溶液的玻璃槽中，待金属镍箔刻蚀完全后，将石墨烯膜引到盛水的玻璃槽中清洗，再将石墨烯膜转移到聚四氟乙烯板上进行干燥，得到干燥的石墨烯膜。

本实施例所制备的石墨烯膜为黑色，可以进行弯折，具有较好的柔韧性。对本实施例所得到的石墨烯膜进行检测，从xrd谱图中可知，石墨烯膜石墨化程度较高，与石墨特征峰相似；从拉曼光谱测试结果可以计算得到石墨烯膜的d峰强度和g峰强度之比(id/ig)为0.055，说明石墨烯膜缺陷较少，质量较好；通过测试并计算得所制备的石墨烯膜的电导率为3222s/cm。

实施例3

(1)选取成分为聚乙烯的保鲜膜为原料，将保鲜膜用乙醇及超纯水清洗干净，并将其剪碎；

(2)将尺寸为15cm×10cm×40μm的金属镍箔放入乙醇和丙酮溶液进行超声清洗，再将清洗后的金属镍箔与250mg剪碎的塑料废品放入长1.5m的管式炉中，且塑料废品与金属镍箔放置位置间隔40cm；再向管式炉中通入流量为250sccm的氩气以及流量为30sccm的氢气，并以15℃/min的升温速率将管式炉升温至1050℃，然后保温180min，随炉冷却，在金属镍箔上得到厚度为2.193μm的石墨烯膜，并计算得到塑料废品的利用率为27.52％；

(3)将负载石墨烯膜的金属镍箔转移至盛有盐酸浓度为0.5mol/l和氯化铁浓度为3mol/l混合溶液的玻璃槽中，待金属镍箔刻蚀完全后，将石墨烯膜引到盛水的玻璃槽中清洗，再将石墨烯膜转移到聚四氟乙烯板上进行干燥，得到干燥的石墨烯膜。

本实施例所制备的石墨烯膜为黑色，可以进行弯折，具有较好的柔韧性。对本实施例所得到的石墨烯膜进行检测，从xrd谱图中可知，石墨烯膜石墨化程度较高，与石墨特征峰相似；从拉曼光谱测试结果可以计算得到石墨烯膜的d峰强度和g峰强度之比(id/ig)为0.034，说明石墨烯膜缺陷较少，质量较好；通过测试并计算得所制备的石墨烯膜的电导率为3077s/cm。

实施例4

(1)选取成分为聚丙烯的塑料袋为原料，将塑料袋用乙醇及超纯水清洗干净，并将其剪碎；

(2)将尺寸为15cm×10cm×40μm的金属镍箔放入乙醇和丙酮溶液进行超声清洗，再将清洗后的金属镍箔与200mg剪碎的塑料废品放入长1.5m的管式炉中，且塑料废品与金属镍箔放置位置间隔40cm；再向管式炉中通入流量为150sccm的氩气以及流量为23sccm的氢气，并以15℃/min的升温速率将管式炉升温至1050℃，然后保温120min，随炉冷却，在金属镍箔上得到厚度为1.722μm的石墨烯膜，并计算得到塑料废品的利用率为31.8％；

(3)将负载石墨烯膜的金属镍箔转移至盛有盐酸浓度为0.5mol/l和氯化铁浓度为3mol/l混合溶液的玻璃槽中，待金属镍箔刻蚀完全后，将石墨烯膜引到盛水的玻璃槽中清洗，再将石墨烯膜转移到聚四氟乙烯板上进行干燥，得到干燥的石墨烯膜。

本实施例所制备的石墨烯膜为黑色，可以进行弯折，具有较好的柔韧性。对本实施例所得到的石墨烯膜进行检测，从xrd谱图中可知，石墨烯膜石墨化程度较高，与石墨特征峰相似；从拉曼光谱测试结果可以计算得到石墨烯膜的d峰强度和g峰强度之比(id/ig)为0.029，说明石墨烯膜缺陷较少，质量较好；通过测试并计算得所制备的石墨烯膜的电导率为3563s/cm。

实施例5

(1)选取成分为聚丙烯的塑料餐盒为原料，将塑料餐盒用乙醇及超纯水清洗干净，并将其剪碎；

(2)将尺寸为15cm×10cm×40μm的金属镍箔放入乙醇和丙酮溶液进行超声清洗，再将清洗后的金属镍箔与300mg剪碎的塑料废品放入长1.5m的管式炉中，且塑料废品与金属镍箔放置位置间隔40cm；再向管式炉中通入流量为150sccm的氩气以及流量为23sccm的氢气，并以15℃/min的升温速率将管式炉升温至1000℃，然后保温140min，随炉冷却，在金属镍箔上得到厚度为2μm的石墨烯膜，并计算得到塑料废品的利用率为33％；

(3)将负载石墨烯膜的金属镍箔转移至盛有盐酸浓度为1mol/l和氯化铁浓度为2mol/l混合溶液的玻璃槽中，待金属镍箔刻蚀完全后，将石墨烯膜引到盛水的玻璃槽中清洗，再将石墨烯膜转移到聚四氟乙烯板上进行干燥，得到干燥的石墨烯膜。

本实施例所制备的石墨烯膜为黑色，可以进行弯折，具有较好的柔韧性。对本实施例所得到的石墨烯膜进行检测，从xrd谱图中可知，石墨烯膜石墨化程度较高，与石墨特征峰相似；从拉曼光谱测试结果可以计算得到石墨烯膜的d峰强度和g峰强度之比(id/ig)为0.024，说明石墨烯膜缺陷较少，质量较好；通过测试并计算得所制备的石墨烯膜的电导率为3685s/cm。

实施例6

(1)选取成分为聚乙烯的塑料袋为原料，将塑料袋用乙醇及超纯水清洗干净，并将其剪碎；

(2)将尺寸为15cm×10cm×40μm的金属镍箔放入乙醇和丙酮溶液进行超声清洗，再将清洗后的金属镍箔与250mg剪碎的塑料废品放入长1.5m的管式炉中，且塑料废品与金属镍箔放置位置间隔40cm；再向管式炉中通入流量为150sccm的氩气以及流量为25sccm的氢气，并以15℃/min的升温速率将管式炉升温至1050℃，然后保温120min，随炉冷却，在金属镍箔上得到厚度为2.205μm的石墨烯膜，并计算得到塑料废品的利用率为38.85％；

(3)将负载石墨烯膜的金属镍箔转移至盛有盐酸浓度为0.5mol/l和氯化铁浓度为3mol/l混合溶液的玻璃槽中，待金属镍箔刻蚀完全后，将石墨烯膜引到盛水的玻璃槽中清洗，再将石墨烯膜转移到聚四氟乙烯板上进行干燥，得到干燥的石墨烯膜。

本实施例所制备的石墨烯膜为黑色，可以进行弯折，具有较好的柔韧性。对本实施例所得到的石墨烯膜进行检测，从xrd谱图中可知，石墨烯膜石墨化程度较高，与石墨特征峰相似；从拉曼光谱测试结果可以计算得到石墨烯膜的d峰强度和g峰强度之比(id/ig)为0.05，说明石墨烯膜缺陷较少，质量较好；通过测试并计算得所制备的石墨烯膜的电导率为3824s/cm。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。