[發明專利]一種石墨烯導電油墨、石墨烯導電膜及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202010001927.2
• 申請日: 2020-01-02
• 公開（公告）號: CN113061369A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 徐凌云;張禮強;鄭龍輝;吳立新
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C09D11/52
• 分類號: C09D11/52;C09D11/14;C09D11/033;H01B1/04;H01B5/14;H01B13/00
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 聶稻波;呂少楠

本發明公開一種石墨烯導電油墨、石墨烯導電膜及其制備方法與應用。石墨烯導電油墨包含石墨烯、纖維素類物質和溶劑；溶劑選自綠色低沸點溶劑，纖維素類物質選自非離子型纖維素類物質。采用高壓微射流方法制備得到該導電油墨。相比于傳統氧化還原法，該方法制備的石墨烯無需經過氧化，因而具有高的電導率。該制備路線工藝簡便，可連續規模化生產；通過調節乙基纖維素的濃度，可直接將石墨烯制備為可印刷的油墨。

技術領域

本發明涉及石墨烯功能材料領域，尤其涉及石墨烯導電油墨、石墨烯導電膜及其制備方法與應用。

背景技術

石墨烯是一種僅由C原子的sp²鍵結合的二維單層材料，自從其2004年被Novoselov等人發現以來，由于其優異的性質，引起了研究者們極大的興趣。由于石墨烯獨特的二維結構，它具有許多非凡的性質，如高載體流動性、高導熱系數、高光學透射率、高抗拉強度、高楊氏模量和優異的柔韌性、極高的比表面積。因此，石墨烯有望用于能量轉換和儲存、傳感器件和藥物傳遞載體等，但目前主流的制備石墨烯的方法主要包括至下而上和自上而下的方法。此外，利用石墨烯高的導電性，可將其制備成導電油墨用于鋰離子電池導電添加劑、熱電薄膜等，但如何設計分散劑實現石墨烯油墨良好的分散是高性能應用的關鍵。

自下而上的方法主要包括化學氣相沉積或等離子體增強的化學氣相沉積，該方法制備的石墨烯層數可控，但條件較苛刻，產率較低，需要復雜的轉移工藝且容易污染或引入雜質，不利于規模化制備。自上而下的方法主要是利用大塊層狀石墨，采用外部施加的作用力，例如剪切力等作用削弱層間范德華作用制備少層石墨烯，該方法可實現大批量制備，但要得到少層石墨烯，需要高效的剝離作用力和有效的分散體系是石墨均勻分散。都柏林圣三一學院的科學家在2008年報道了采用超聲和機械剝離的方法制備少層石墨烯納米片，但該方法采用高沸點的有機溶劑作為石墨分散劑，需要復合的后續處理工藝，而且不環保，成本高。另外，有眾多研究團隊報道利用超聲或電化學輔助的方法剝離石墨烯，但是該方法需要有效的插層劑。超聲輔助的剝離制備周期長，而且產率較低；電化學輔助的剝離方法具有高效、快速的優勢，但石墨電極在電化學體系容易崩解，致使電解體系失效，無法實現持續剝離，不可能實現石墨烯材料的批量制備。

高壓微射流剝離石墨烯是最近剛發展的剝離石墨烯及其層狀二維材料的新方法。高壓微射流是利用電氣控制的液壓站內的液壓油來給液壓缸加壓，以此來驅動柱塞進行正位移的、往復運動，并通過單向閥的作用給物料加壓，加壓后的物料通過一個特別設計的微孔噴腔，液體通過不同微米孔徑的噴腔會形成不同的均質壓力，超高液體流速的原始層狀石墨烯粉體在高剪切力和撞擊力產生剪切對撞和空化效應得到片層較小且少層的石墨烯。該方法的提出和廣泛應用是劍橋大學石墨烯創新中心和意大利理工學院的研究人員，但在剝離石墨烯的過程中他們都使用了高沸點的N-甲基吡咯烷酮作為石墨的分散溶劑，這給后續剝離石墨烯混合物的分離和進一步功能化/油墨加工處理帶來巨大挑戰，一般還需要借助溶劑交換法除去N-甲基吡咯烷酮并再分散石墨烯，該工藝不但繁瑣，效率低，而且成本高，不利于工業應用。

基于此，采用高壓微射流高效、低廉、大批量剝離石墨烯的關鍵在于開發出優異分散且易處理的石墨剝離液，這不但決定了石墨能否被高效剝離為石墨烯，也決定了石墨烯的后續處理工藝在實際應用的可行性。開發優異分散且易處理的石墨剝離液并將其通過粘度調節制備可印刷的油墨對實現石墨烯工業應用具有重要的科學和應用價值。

發明內容

本發明提供一種石墨烯導電油墨，其包含：石墨烯、纖維素類物質和溶劑；

其中，所述溶劑可以選自低沸點溶劑，例如選自沸點30-100℃的溶劑，示例性選自甲醇、乙醇、異丙醇、乙酸乙酯和水中的至少一種，例如為乙醇和/或水；

所述纖維素類物質選自非離子型纖維素類物質，例如可以選自乙基纖維素、甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥甲基纖維素和硝化纖維素中的至少一種，優選為乙基纖維素、羥乙基纖維素和硝化纖維素中的至少一種。