中科院蘇州納米所: 利用衣架式擠出模具制備片徑長程取向的氧化石墨烯液晶材料

來源： PuSL高精密3D打印

氧化石墨烯液晶材料由于其片徑之間產(chǎn)生取向堆疊而展現(xiàn)出獨(dú)特的物理性能，讓其在光電器件、儲能器件和電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。片徑取向程度也影響著材料相應(yīng)的性能。近日，中科院蘇州納米所錢波課題組開發(fā)了一種新型氧化石墨烯液晶材料的制備方法，并成功制備了片徑具有長程高度取向的氧化石墨烯液晶材料。該方法依據(jù)氧化石墨烯分散液的流變參數(shù)和衣架式擠出模具的設(shè)計(jì)，借助摩方精密PμSL 3D打印技術(shù)（NanoArch S140），定制化的制備出100 μm狹縫厚度的衣架式擠出模具；隨后利用此模具在玻璃襯底上擠出氧化石墨烯液晶材料，成功制備出取向結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯液晶材料，并且該材料在偏振顯微鏡下未觀察到明顯雙折射條紋。該成果以“Preparation of graphene oxide liquid crystals with long-rangehighly-ordered flakes using a coat- hanger die”為題發(fā)表在RSCAdvances期刊上。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1RA01241J

圖1 長程取向結(jié)構(gòu)氧化石墨烯液晶材料制備示意圖

圖2 五組不同濃度的氧化石墨烯分散液（2mg/mL~10 mg/mL標(biāo)記為GO-2～GO-10，片徑直徑約為50μm）的流變測試結(jié)果

從流變測試中可以看到，氧化石墨烯分散液的剪切粘度與剪切速率呈非線形關(guān)系，是一種典型的非牛頓流體，并且存在剪切變稀現(xiàn)象（shear-thining），這是由于剪切應(yīng)力使氧化石墨烯片徑取向由相互交錯(cuò)趨于相互平行，從而呈現(xiàn)出較低的粘度特性。另外，隨著剪切應(yīng)力的增加，分散液的剪切粘度逐漸降低，這也意味著較大的剪切應(yīng)力可以使氧化石墨烯片徑整體更具有取向性。因此衣架式擠出模具的尺寸和精度對制備長程取向結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯液晶材料有著重要的影響。

圖3 擠出模具的制備實(shí)物圖和相關(guān)設(shè)計(jì)尺寸

圖3是通過摩方精密PμSL 3D打印機(jī)（NanoArchS140）制備出的衣架式擠出模具實(shí)物圖，模具實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)保持一致，并且狹縫厚度尺寸十分精確，寬度幅度在2%以內(nèi)，這也有利于減少材料擠出過程中因尺寸不精確而引起的湍流等副作用的產(chǎn)生。

圖4 a)未經(jīng)過擠出模具擠出的氧化石墨烯材料，b)經(jīng)過擠出模具擠出后的氧化石墨烯材料；尺寸標(biāo)尺200 μm。

從圖4對比圖中可以看出，經(jīng)過定制化擠出模具擠出后的材料無明顯的雙折射條紋，這是由于氧化石墨烯片徑高度取向，偏振光無法發(fā)生偏振。從偏振顯微鏡圖片可看出，不同濃度的氧化石墨烯分散液經(jīng)擠出模具擠出后均具有良好的片徑長程取向結(jié)構(gòu)。

圖5 a)經(jīng)過定制化擠出模具制備的取向結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠；b)未經(jīng)擠出的無取向結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠；尺寸標(biāo)尺為200 μm

圖5為利用定制化擠出模具制備的取向結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠材料，從材料截面電鏡圖中的紅色箭頭方向可看出，石墨烯片徑具有明顯一致的取向結(jié)構(gòu)，并且如黃色箭頭所示，氧化石墨烯片徑之間相互連接良好，材料整體無明顯的縱向空隙。利用此方法制備的片徑長程取向結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠相較于片徑無取向的石墨烯氣凝膠材料而言，其導(dǎo)電性從32S/m提高到92 S/m，證明片徑高度取向的結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步提高氣凝膠材料的導(dǎo)電性。

需要指出的是，衣架式擠出模具作為傳統(tǒng)高分子液晶的制備工具的研究已開展很多，但受限于模具精度和尺寸多樣性，目前未曾有過利用衣架式擠出模具制備氧化石墨烯液晶材料。摩方精密PμSL 3D打印技術(shù)因其高精度和高效的制備方法，讓定制化的擠出模具應(yīng)用于長程取向結(jié)構(gòu)氧化石墨烯液晶材料的制備成為可能，并且100 μm的狹縫的厚度是目前衣架式擠出模具制備已知的最小值。依托于摩方精密的3D打印技術(shù)，未來對不同片徑直徑和濃度的氧化石墨烯分散液的液晶制備研究的可能性大大增加，有望能夠進(jìn)一步拓展片徑取向結(jié)構(gòu)的石墨烯基材料在眾多領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。