本發(fā)明屬于復(fù)合材料薄膜領(lǐng)域，具體涉及一種氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
氧化石墨烯是“碳材料之母”-石墨烯的最主要的衍生物，除了具有與石墨烯類似的二維結(jié)構(gòu)，納米尺寸和性能穩(wěn)定的特點外，它的邊緣上還存在豐富的含氧官能團，賦予其優(yōu)異的溶解性，物理性能和反應(yīng)活性。同時，因為結(jié)構(gòu)的原因，氧化石墨烯也是目前最有希望實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的石墨烯基材料。
納米微晶纖維素是一種納米尺寸的纖維素材料，也被稱為“纖維素納米微晶”。它的直徑一般為5～20nm，長度一般為10nm～1μm，長徑比范圍為1～100。納米微晶纖維素具有原材料來源廣泛，易生物降解和物理性能優(yōu)良等特點，可以應(yīng)用于材料領(lǐng)域的各個方面。
目前，關(guān)于氧化石墨烯和納米微晶纖維素組成的復(fù)合材料薄膜的報道已有不少。常規(guī)的此類復(fù)合材料薄膜具有密度低，柔性和生物相容性好等特點。但是，現(xiàn)有的制備工藝往往需要分別制備氧化石墨烯和納米微晶纖維素，再進行兩者復(fù)合這三個步驟，存在生產(chǎn)周期長，成本高和得率低等缺陷。因此，尋找一種快速高效制備氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜的方法非常有必要。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜的制備方法。該制備方法通過一鍋法快速簡便地制備出了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)良的氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種由上述制備方法得到的復(fù)合材料薄膜。
本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
一種一鍋法制備氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜的方法，包括以下步驟：
(1)將2～4質(zhì)量份石墨粉加入200～400體積份混合酸中，然后緩慢加入12～24質(zhì)量份KMnO4并攪拌均勻；升溫至45～55℃并保溫9～15h，得到紫黑色懸浮液；所得懸浮液倒入200～400質(zhì)量份冰水混合物中冷卻，加入20～40質(zhì)量份(絕干重)紙漿并攪拌反應(yīng)10～20min，繼續(xù)加入2～4體積份H2O2溶液，得到亮黃色溶液；過濾，固體反復(fù)用熱水洗滌、過濾至pH呈中性；
(2)將步驟(1)所得的濾餅再次分散在水中，透析一周以去除鹽類和糖類雜質(zhì)，超濾即得氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜。
步驟(1)所述混合酸是體積比為9:1的濃硫酸和濃磷酸的混合；所述硫酸的質(zhì)量濃度為98％；濃磷酸的質(zhì)量濃度優(yōu)選為85％。
步驟(1)所述攪拌的速度均優(yōu)選為300～400r/min。
步驟(1)反應(yīng)過程均優(yōu)選在帶磁力攪拌的油浴鍋中進行。
步驟(1)中懸浮液倒入冰水混合物中冷卻4～8min。
步驟(1)所述熱水優(yōu)選為60℃的熱蒸餾水。
步驟(1)所述H2O2溶液的質(zhì)量濃度優(yōu)選為30％。
步驟(2)所述透析優(yōu)選采用10000截留分子量的PVCF膜進行透析，透析介質(zhì)為去離子水。
步驟(2)所述超濾，使用的超濾膜孔徑為0.22μm，壓力為0.24MPa。
一種由上述制備方法制備得到的氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜。該復(fù)合材料薄膜中的納米微晶纖維素具有整齊的排列，其中納米纖維纖維素的直徑為30～40nm，長度為200～300nm，和氧化石墨烯納米層緊密的復(fù)合在一起，使得復(fù)合材料薄膜的拉伸強度達到100～300MPa，彈性模量達到10～20GPa。
本發(fā)明以一鍋法快速簡便地制備了氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜，具有納米微晶纖維素組分取向規(guī)則，排列整齊，薄膜拉伸強度和彈性模量大等優(yōu)點，在復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：
一鍋法工藝不僅簡化了復(fù)合材料薄膜的制備流程，降低了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境污染，還保證了產(chǎn)品的物理性能。該方法為制造能夠應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域的高物理性能薄膜材料提供了技術(shù)參考。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1
將石墨粉2g放入到200mL混合酸(濃硫酸:濃磷酸＝9:1(v:v))中混合均勻，然后緩慢加入12g KMnO4在冰水浴中以300r/min的速度均勻攪拌，升溫至45℃并保溫9h；所得紫黑色懸浮液倒入200g冰水混合物中冷卻4min，加入20g(絕干重)紙漿并以300r/min的速度攪拌反應(yīng)10min，繼續(xù)加入2mL 30％的H2O2溶液，得到亮黃色溶液；過濾，濾餅反復(fù)用60℃的熱蒸餾水洗滌、過濾至pH呈中性；
所得的濾餅再次分散在水中，透析一周以去除鹽類和糖類雜質(zhì)，超濾即得氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜。該復(fù)合材料薄膜中的納米微晶纖維素具有整齊的排列，使得復(fù)合材料薄膜的拉伸強度達到100MPa，彈性模量達到10GPa。
實施例2
將石墨粉3g放入到300mL混合酸(濃硫酸:濃磷酸＝9:1(v:v))中混合均勻，然后緩慢加入18g KMnO4在冰水浴中以350r/min的速度均勻攪拌，升溫至50℃并保溫12h；所得紫黑色懸浮液倒入300g冰水混合物中冷卻6min，加入30g(絕干重)紙漿并以350r/min的速度攪拌反應(yīng)15min，繼續(xù)加入3mL 30％的H2O2溶液，得到亮黃色溶液；過濾，濾餅反復(fù)用60℃的熱蒸餾水洗滌、過濾至pH呈中性；
所得的濾餅再次分散在水中，透析一周以去除鹽類和糖類雜質(zhì)，超濾即得氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜。該復(fù)合材料薄膜中的納米微晶纖維素具有整齊的排列，使得復(fù)合材料薄膜的拉伸強度達到200MPa，彈性模量達到15GPa。
實施例3
將石墨粉4g放入到400mL混合酸(濃硫酸:濃磷酸＝9:1(v:v))中混合均勻，然后緩慢加入24g KMnO4在冰水浴中以400r/min的速度均勻攪拌，升溫至55℃并保溫15h；所得紫黑色懸浮液倒入400g冰水混合物中冷卻8min，加入40g(絕干重)紙漿并以400r/min的速度攪拌反應(yīng)20min，繼續(xù)加入4mL 30％的H2O2溶液，得到亮黃色溶液；過濾，濾餅反復(fù)用60℃的熱蒸餾水洗滌、過濾至pH呈中性；
所得的濾餅再次分散在水中，透析一周以去除鹽類和糖類雜質(zhì)，超濾即得氧化石墨烯-納米微晶纖維素復(fù)合材料薄膜。該復(fù)合材料薄膜中的納米微晶纖維素具有整齊的排列，使得復(fù)合材料薄膜的拉伸強度達到300MPa，彈性模量達到20GPa。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。