[發(fā)明專利]一種強(qiáng)韌石墨烯/纖維素復(fù)合導(dǎo)熱導(dǎo)電薄膜的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710548856.6
• 申請(qǐng)日: 2017-07-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107293377A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王富忠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 齊魯工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01B13/00
• 分類號(hào): H01B13/00;H01B1/24
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料和功能材料研究領(lǐng)域，具體為一種強(qiáng)韌石墨烯/纖維素復(fù)合導(dǎo)熱導(dǎo)電薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯 (Graphene)是指由碳原子六角二維蜂窩晶格緊密排列而成的厚度約為0.35 nm的單層碳原子炭質(zhì)材料。石墨烯中碳原子通過(guò)α鍵與相鄰的三個(gè)碳原子連接，碳碳之間鍵長(zhǎng)僅為0.142 nm， 這些鍵能很強(qiáng)的C-C鍵互成120°的鍵角，使得石墨烯成為世界上最強(qiáng)最硬的材料。石墨烯的比表面積高達(dá)2630 m²/g，拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別達(dá)到130GPa和1TPa，其理論導(dǎo)熱系數(shù)為5300 W/m K遠(yuǎn)高于金屬和碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)。常溫下電子遷移率＞15000 cm²/V?s，導(dǎo)電率高達(dá)6000 S/cm，大于碳納米管和硅晶體。所以如果將石墨烯重塑成薄膜材料將會(huì)在超級(jí)電容器、柔性電極、太陽(yáng)能電池、觸摸屏、電子電器等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

目前石墨烯薄膜制備所用的大多是單層石墨烯，例如CVD方法制備的石墨烯薄膜以單層石墨烯為主，這種方法由于工藝復(fù)雜、條件苛刻、產(chǎn)率低和成本高的缺點(diǎn)，限制了石墨烯大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。再比如利用化學(xué)氧化還原法制備氧化石墨烯，通過(guò)真空抽濾得到氧化石墨烯薄膜，然后再通過(guò)化學(xué)還原法得到石墨烯薄膜，這種方法的化學(xué)剝離過(guò)程中所使用的強(qiáng)氧化劑通常會(huì)破壞碳原子的平面結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生缺陷，使石墨烯的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能下降。總得來(lái)說(shuō)單層石墨烯的制備成本比較高，技術(shù)還不成熟，難以實(shí)現(xiàn)在復(fù)合材料領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。而對(duì)于多層石墨烯也就是石墨烯納米片，它是由幾層或者十幾層石墨烯堆疊成的，其厚度小于10 nm，擁有單層石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。這種石墨烯以資源豐富的石墨為原料，可以通過(guò)“由上而下”法，經(jīng)微波輻射或熱膨脹酸插層的氧化石墨實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并且生產(chǎn)成本較低，這為石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。

纖維素是自然界中最為豐富的可降解綠色生物資源，納米尺度的纖維素具有優(yōu)良的強(qiáng)度和模量，同時(shí)具有較好的柔韌性。在滿足使用性能的前提下，開(kāi)發(fā)一種低成本、多功能的綠色環(huán)保石墨烯/纖維素復(fù)合薄膜具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)韌石墨烯/纖維素復(fù)合導(dǎo)熱導(dǎo)電薄膜的制備方法，首先將工業(yè)化的石墨烯均勻分散到溶劑中，同時(shí)將木質(zhì)紙漿通過(guò)勻漿機(jī)和剪切機(jī)剝離分散成納米直徑的纖維束，然后通過(guò)抽濾石墨烯/纖維素混合溶液制備強(qiáng)韌的導(dǎo)熱導(dǎo)電復(fù)合薄膜，從而進(jìn)一步推動(dòng)石墨烯在功能復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明為石墨烯在復(fù)合材料中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了一條新的途徑。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

S1 將石墨烯和分散劑加入溶劑中，配置成濃度為0.2~5 mg/ml的石墨烯溶液，并對(duì)石墨烯溶液進(jìn)行超聲處理，得到分散均勻的石墨烯懸浮液；

S2 將木質(zhì)紙漿分散到水溶液中，然后用勻漿機(jī)經(jīng)過(guò)多次循環(huán)液相剪切使纖維素分散成單根的纖維束。進(jìn)一步通過(guò)與去離子水混合用高速剪切機(jī)分散得到分散度較好的納米纖維素水溶液；

S3將S2中的纖維素水溶液緩慢加入攪拌中的石墨烯水溶液中，然后用超聲處理得到均勻分散的石墨烯/纖維素混合液；

S4 采用微孔濾膜真空過(guò)濾所述的石墨烯/纖維素混合液，通過(guò)自組裝重塑作用形成石墨烯和纖維素相間的、石墨烯片取向度較好的膜材料，過(guò)濾洗滌后，將薄膜連同濾紙一起在室溫下干燥大約24 h，隨后將濾物從微孔濾膜上揭下，轉(zhuǎn)移到真空烘箱中在50~100 oC下真空干燥12~24 h，得到石墨烯/纖維素復(fù)合膜材料；

S5 將S4得到的石墨烯/纖維素復(fù)合膜在一定溫度和壓力下經(jīng)過(guò)熱壓處理，得到結(jié)構(gòu)更為密實(shí)的復(fù)合薄膜。

所述的強(qiáng)韌石墨烯/纖維素復(fù)合導(dǎo)熱導(dǎo)電薄膜的制備方法，所用的分散劑是非離子表面活性劑：辛基苯基聚氧乙烯醚(曲拉通X-100)。

所述的強(qiáng)韌石墨烯/纖維素復(fù)合導(dǎo)熱導(dǎo)電薄膜的制備方法，配置烯納米片溶液所用的溶劑為水，乙醇，丙酮，異丙醇，四氫呋喃，異丙醇，甲醇，N-甲基吡咯烷酮及二甲基甲酰胺中的一種。

所述的強(qiáng)韌石墨烯/纖維素復(fù)合導(dǎo)熱導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在于，所述石墨烯可以是插層剝離法、溶劑剝離法和氧化還原法制備的單層或多層石墨烯，厚度為1~10 nm。片徑為0.5~200 μm，濃度為0.2~5 mg/ml，超聲處理時(shí)間為3~30 min。