[發(fā)明專利]一種碳化細(xì)菌纖維素/碳納米管膜材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810316924.0
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108503896B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王潔;于樣;鄒鴻剛;何昌遠(yuǎn);段航航;王心怡;凌鵬飛
• 申請（專利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C08L1/02
• 分類號: C08L1/02;C08K9/04;C08K3/04;C08J5/18
• 代理公司: 南京申云知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32274
• 代理人: 邱興天

本發(fā)明公開了一種碳化細(xì)菌纖維素/碳納米管膜材料及其制備方法，該制備方法包括：1）制備羧基化碳納米管納米分散液；2）制備細(xì)菌纖維素/羧基化碳納米管氣凝膠；3）碳化處理，制備得到碳化細(xì)菌纖維素/碳納米管膜。本發(fā)明不僅確保了碳化細(xì)菌纖維素/碳納米管膜的完整性和良好的力學(xué)性能，而且擁有高的電導(dǎo)性。制備工藝簡單，綠色環(huán)保，適合批量化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于導(dǎo)電材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化細(xì)菌纖維素/碳納米管膜材料及其制備方法。

背景技術(shù)

細(xì)菌纖維素已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，通過可規(guī)模化的高效生物發(fā)酵技術(shù)制備，由廉價的細(xì)菌對小分子糖、醇進行代謝合成，直接獲得高純度纖維素，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)用材料、食品、輕工及環(huán)保等行業(yè)。細(xì)菌纖維素具有高純度、高結(jié)晶度、高聚合度、精細(xì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、生物適應(yīng)性和可降解性等特性，其中，細(xì)菌纖維素的三維多孔納米纖維柔韌性網(wǎng)絡(luò)和豐富的表面官能團，非常適合氣凝膠、薄膜的制備和功能化。碳納米管擁有良好的力學(xué)性能和高導(dǎo)電率(10⁶S/m)，熱導(dǎo)率高于3000W/(mK)，與碳化細(xì)菌纖維素兼容性好。細(xì)菌纖維素氣凝膠與高導(dǎo)電柔性碳納米管能夠達到納米尺度復(fù)合，在其內(nèi)部形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，且可大幅度提高復(fù)合材料的機械性能。將碳納米管封裝進碳化細(xì)菌纖維素的精細(xì)三維網(wǎng)絡(luò)，可進一步提高碳三維網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和力學(xué)性能。因此，高導(dǎo)電性碳納米管與碳化細(xì)菌纖維素網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，為三維碳導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供新的思路。

目前，制備細(xì)菌纖維素/碳納米管復(fù)合膜的方法主要分為四種：1)在碳納米管的分散液中接入木醋桿菌，原位生長細(xì)菌纖維素，獲得細(xì)菌纖維素/碳納米管復(fù)合膜，該工藝制備過程復(fù)雜，周期長；2)通過三氟乙酸等溶劑溶解細(xì)菌纖維素，進一步與碳納米管混合后靜電紡絲形成細(xì)菌纖維素/碳納米管復(fù)合膜，通常溶解細(xì)菌纖維素的溶劑毒性較大，對環(huán)境污染大；3)利用勻漿機或乳化機等物理手段處理塊狀細(xì)菌纖維素來制備其乳化液，進一步與碳納米管混合，通過抽濾或沉積制備得到細(xì)菌纖維素/碳納米管復(fù)合膜，該工藝破壞了細(xì)菌纖維素原始的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；4)將塊狀細(xì)菌纖維素長時間浸泡在碳納米管的分散液來制備細(xì)菌纖維素/碳納米管復(fù)合膜，隨著浸泡時間的增加，碳納米管的含量增加，但是大部分碳納米管沉積在細(xì)菌纖維素水凝膠表面，易于從表面剝落下來。此外，細(xì)菌纖維素是絕緣體，熱解細(xì)菌纖維素制備得到碳化細(xì)菌纖維素能夠進一步提高電導(dǎo)率。碳納米管納米尺度均一分散在細(xì)菌纖維素氣凝膠中和適宜的熱解碳化條件是構(gòu)建熱解細(xì)菌纖維素/碳納米管復(fù)合膜的關(guān)鍵，關(guān)乎能否形成強健的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)制備周期長、對環(huán)境有污染、破壞細(xì)菌纖維素的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和碳納米管易于表面剝落等缺點，本發(fā)明的目的是提供一種碳化細(xì)菌纖維素/碳納米管膜材料，碳納米管均一排列在碳膜中，具有質(zhì)地均勻和導(dǎo)電率高等優(yōu)點。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述碳化細(xì)菌纖維素/碳納米管膜材料的制備方法，生產(chǎn)工藝簡單，環(huán)境友好，成本低廉，適合批量化生產(chǎn)。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種碳化細(xì)菌纖維素/碳納米管膜材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將羧基化碳納米管分散在具有表面活性劑的水溶液中，利用表面活性劑進行分散羧基化碳納米管，再使用超聲波細(xì)胞破碎儀對分散液破碎，得到羧基化碳納米管納米分散液；

2)用吸水材料吸取細(xì)菌纖維素水凝膠中的水分后，再將其浸泡在步驟1)的高穩(wěn)定的羧基化碳納米管納米分散液中，重復(fù)操作，獲得碳納米管均一分散在細(xì)菌纖維素的黑色復(fù)合水凝膠，反復(fù)洗滌復(fù)合水凝膠，直到除去表面活性劑和水凝膠表面的碳納米管團聚物，冷凍干燥，制備得到細(xì)菌纖維素/羧基化碳納米管氣凝膠；

3)將步驟2)中的細(xì)菌纖維素/羧基化碳納米管氣凝膠在惰性氣氛或還原性氣氛下進行碳化處理，制備得到碳化細(xì)菌纖維素/碳納米管膜。

步驟1)中，碳納米管為單壁/多壁碳納米管，管徑2～200nm，長度1～100μm。

步驟1)中，碳納米管溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01％～10％。