[發明專利]一種高濃度石墨烯-聚苯胺納米纖維復合分散液及復合膜的制備方法

無效

• 申請號: 201110293397.4
• 申請日: 2011-09-30
• 公開（公告）號: CN102321254A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 井新利;何偉;張偉娜;李瑜
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C08J3/03
• 分類號: C08J3/03;C08L79/02;C08K3/04;C08J5/18;C01B31/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于材料制備領域，具體涉及一種高濃度石墨烯-聚苯胺納米纖維復合分散液及復合膜的制備方法。

背景技術

自2004年發現石墨烯以來，人們普遍認為石墨烯以其獨特的結構和優異電學、熱學和力學性能在眾多領域將引起革命性的變化。石墨烯的制備方法有很多，如微機械剝離、化學氣相沉積、晶體外延生長和溶劑剝離等，但這些方法制備的石墨烯加工性差，限制了它的大規模應用。將石墨烯制備成分散液則可以大大改善其加工性，使其可以廣泛用在液-液自組裝、真空抽濾和復合材料等領域。然而，石墨烯由大量的芳香碳原子構成，擁有極大的比表面積，層與層之間的強烈的范德華作用力使其極易團聚，很難得到穩定的石墨烯分散液。

氧化還原法以其低廉的成本和易于實現規模化的優勢成為制備石墨烯分散液的最佳方法，但是在通過還原劑使氧化石墨烯向石墨烯轉化的過程中，與之相伴的石墨烯的團聚就會發生。氧化石墨烯表面帶有很多極性含氧官能團，如羥基、羧基和環氧基，很容易分散在極性溶劑中形成穩定的分散液。然而，隨著還原反應的進行，石墨烯片上的含氧官能團被逐漸脫除，由于層與層之間強烈的相互作用石墨烯片極易形成團聚體而析出，難以得到穩定的分散液。雖然有研究者采用水溶性高分子、生物大分子和表面活性劑等分散穩定劑可以抑制石墨烯片的團聚，制備出穩定的石墨烯分散液，但是這些分散劑的存在不僅增加了后續工藝的復雜性而且很難脫除(Langmuir?2009，25，12030-12033)。分散劑殘留在石墨烯片上，大大降低了石墨烯本身優異的光、電和磁性能，限制了石墨烯的應用。

聚苯胺納米纖維兼有本征型導電高分子和納米材料的特性，作為石墨烯的分散穩定劑有望發揮二者的協同效應制備出光、電和磁性能優異的復合材料，然而，目前的制備方法無法得到穩定的高濃度石墨烯-聚苯胺復合分散液。聚苯胺作為一種本征型導電高分子，以其低廉的價格、良好的環境穩定性、獨特的摻雜脫摻雜機制及優異的電化學活性，可以廣泛用在傳感器、超級電容器、二次電池和電磁屏蔽等領域，成為眾多研究者關注的對象。聚苯胺獨特的分子結構可以和石墨烯的π體系、殘余的含氧官能團之間發生π-π堆積、氫鍵和靜電力等非共價相互作用，將石墨烯和聚苯胺結合有望制備出一種性能優異的具有光電活性的新材料。

一些研究者采用原位的化學或者電化學聚合，共價或者非共價修飾以及自組裝的方法制備了氧化石墨烯/石墨烯和聚苯胺的復合材料，然而這些復合材料往往具有較差的加工性(Carbon?2010，48，487-493；ACS?Nano2009，3，1745-1752；Electrochem?Commun?2009，11，1158-1161)。關于石墨烯-聚苯胺復合材料分散液的制備鮮有文獻報道，僅清華大學的Shi等人對此進行了研究，采用透析純化的石墨烯分散液與聚苯胺納米纖維分散液而后通過物理混合制備了石墨烯-聚苯胺納米纖維復合分散液，但前期透析工藝相當耗時，制備的分散液濃度很低(ACS?Nano?2010，4，1963-1970)。低的分散濃度和差的分散穩定性，限制了石墨烯-聚苯胺復合材料的應用。中國專利CN101781459A、CN101781458A和CN101985517A中均采用在氧化石墨烯的分散液中進行苯胺的原位聚合，而后通過還原得到石墨烯-聚苯胺的復合材料。這種復合材料不溶不熔，而且難以分散在液體介質中，因而加工性較差，很難滿足真空抽濾、噴涂、旋涂和液-液自組裝等工藝的應用需要，限制了復合材料的應用。因此，采用簡便的方法制備出穩定的高濃度石墨烯-聚苯胺復合分散液有助于拓展石墨烯的應用領域。

發明內容

本發明的目的在于提供一種制備工藝簡單、反應溫度低、容易實現工業化的高濃度石墨烯-聚苯胺納米纖維復合分散液及復合膜的制備方法。

為達到上述目的，本發明高濃度石墨烯-聚苯胺納米纖維復合分散液的制備方法如下：

1)氧化石墨烯-聚苯胺納米纖維分散液的制備

將氧化石墨和聚苯胺納米纖維分別加入蒸餾水中，超聲分散2h后得到穩定的濃度為0.5～2mg/mL的氧化石墨烯分散液和濃度為0.1～0.3mg/mL的聚苯胺納米纖維分散液；

按氧化石墨烯比聚苯胺納米纖維的質量比為1～4∶1向氧化石墨烯分散液中逐滴加入聚苯胺納米纖維分散液，繼續超聲分散2h并調節體系的pH為4，得到總濃度為0.5～1mg/mL的氧化石墨烯-聚苯胺納米纖維分散液；

2)高濃度石墨烯-聚苯胺納米纖維復合分散液的制備