一種由石墨到復(fù)合石墨烯紙的簡易制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯和納米纖維素應(yīng)用領(lǐng)域，特別提供一種以納米纖維素和天然石墨為原料輔以超聲波分散法制備石墨烯/納米纖維素復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米纖維素是以富含纖維素的原材料(如農(nóng)作物秸桿、木材類、麻類以及果殼等)，通過化學(xué)水解、機械分離或生物酶解等技術(shù)得到的直徑在幾個到幾十納米的晶須或纖維狀天然高分子納米材料，具有可再生、可降解、無毒性以及機械性能優(yōu)異等特性，在食品、醫(yī)藥、美容、電子材料和復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。纖維素分子鏈中富含羥基，分子間極易氫鍵，因而納米纖維素可以形成柔性透明薄膜。與普通高分子材料基體相比，除其作為天然高分子所具有的特點外，納米纖維素膜具有更低的熱膨脹系數(shù)，若將該復(fù)合膜賦予導(dǎo)電粒子，即可得到柔性透明導(dǎo)電復(fù)合膜，有望替代傳統(tǒng)透明導(dǎo)電材料而獲得廣泛應(yīng)用。
[0003]石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維材料。因其具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，有望在納米電子器件、透明導(dǎo)電薄膜、復(fù)合材料、抗靜電材料、儲能材料以及感應(yīng)器等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，因而成為繼納米碳管后備受矚目的新型碳材料。石墨烯具有的獨特性能使其在新型柔性電子元件領(lǐng)域極具應(yīng)用前景，將納米纖維素與石墨烯復(fù)合制備對于開發(fā)柔性電極以及儲能材料具有重要意義。
[0004]目前關(guān)于納米纖維素/石墨烯復(fù)合材料的研究報道主要是將石墨烯或還原的氧化石墨烯與納米纖維素的水性分散液混合得到復(fù)合膜。無論選用石墨烯還是還原的氧化石墨烯，都涉及對石墨進行復(fù)雜的處理方法?，F(xiàn)有的石墨烯一般為以石墨為原料通過插層或剝離后得到的石墨烯粉末(十層以下石墨烯片的聚集體)，同時在制備石墨烯過程中還涉及到剝離/插層石墨后退火膨脹處理后得到層數(shù)較少的石墨烯粉末。如果選用還原的氧化石墨烯則需要先將石墨用強氧化劑氧化以增加石墨層間距，利用超聲波輔助分散得到氧化石墨烯混合液，然后以還原劑進行還原得到石墨烯。這樣才能將石墨烯與納米纖維素混合后在利用超聲分散法可以得到石墨烯/納米纖維素的分散液來制備復(fù)合石墨烯紙。因此現(xiàn)有的工藝過程繁瑣，生產(chǎn)周期長、設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)成本昂貴，在氧化及還原過程中使用大量化學(xué)試劑，對環(huán)境有污染。
[0005]本發(fā)明以納米纖維素為分散液輔以機械攪拌、超聲波分散以及離心分離即可得到石墨烯/納米纖維素的分散液，通過水分揮發(fā)即可得到石墨烯復(fù)合紙。與傳統(tǒng)方法相比，該方法工藝簡單，生產(chǎn)成本低，設(shè)備簡易，綠色環(huán)保。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種由石墨到復(fù)合石墨烯紙的簡易制備方法，采用該方法制備的復(fù)合膜機械強度和柔韌性好，尺寸可控。
[0007]本發(fā)明具體提供了一種復(fù)合石墨烯紙的制備方法，其特征在于:將石墨加入納米纖維素水性分散液中，進行機械攪拌和超聲處理后，得到均勻穩(wěn)定的石墨烯/納米纖維素分散液，通過離心分離出上層混合液，然后將水分揮發(fā)掉后制得石墨烯與納米纖維素復(fù)合膜(即復(fù)合石墨烯紙)。
[0008]本發(fā)明所選納米纖維素為天然高分子，其原材料在地球上含量多、分布廣，其原料可以為木類、麻類、果殼以及農(nóng)作物的秸桿等廢棄物。納米纖維素本身機械性能好(彈性模量150G Pa，拉伸強度6GPa)，表面因富含羥基官能團而活性大，且具有可再生、可降解、無毒等優(yōu)點，是環(huán)境友好的綠色納米材料。納米纖維素在水中的懸浮液對石墨起到有效的剝離、分散、成膜以及增強作用，形成完整薄膜。采用該方法制備的復(fù)合膜機械強度和柔韌性好，尺寸可控。
[0009]本發(fā)明所述復(fù)合石墨烯紙的制備方法，其特征在于:超聲處理時間為0.5_12h，設(shè)備功率為100-1000W。
[0010]本發(fā)明所述復(fù)合石墨烯紙的制備方法，其特征在于:所述納米纖維素水性分散液中納米纖維素的濃度為0.1-0.5wt.%，其制備方法為:將納米纖維素和水加入錐形瓶中，在室溫下攪拌0.5-12h后輔以超聲處理0.5-12h，設(shè)備功率為100-1000W，使納米纖維素于水中充分分散。
[0011]本發(fā)明所述復(fù)合石墨烯紙的制備方法，其特征在于:對石墨烯/納米纖維素分散液進彳丁離心分離5_30min,轉(zhuǎn)速為5000-16000rpm。
[0012]本發(fā)明所述復(fù)合石墨烯紙的制備方法，其特征在于:石墨的添加量占石墨與納米纖維素總質(zhì)量的0.1-95%。
[0013]本發(fā)明所述復(fù)合石墨烯紙的制備方法，其特征在于，具體制備步驟為:
[0014]I)、將納米纖維素置于錐形瓶中并添加水，使納米纖維素的濃度為0.1-0.5wt.%,在室溫下攪拌0.5-12h后輔以超聲處理0.5-12h，設(shè)備功率為100-1000W，使納米纖維素于水中充分分散，此時得到納米纖維素在水中的分散液；
[0015]2)、向納米纖維素分散液中添加石墨，石墨的添加量占石墨與納米纖維素總質(zhì)量的0.1_95%，經(jīng)過攪拌和超聲處理后得到均勻分散的納米纖維素與石墨烯的混合液；其中超聲處理所用設(shè)備功率為100-1000W，處理0.5-12h ；
[0016]3)、將步驟2)得到的分散液用離心機進行離心分離處理，處理5_30min，轉(zhuǎn)速為5000-16000rpm，取出上層的懸浮液待用；(可以將沉積在底部的固態(tài)顆粒干燥后稱重，通過計算得出最終產(chǎn)率)；
[0017]4)、將納米纖維素與石墨烯的混合物注入培養(yǎng)皿中，在室溫或加熱條件下至水分揮發(fā)后，將膜從培養(yǎng)皿上揭下后即可得到柔性導(dǎo)電的石墨烯與納米纖維素完整復(fù)合膜。
[0018]本發(fā)明所述復(fù)合石墨烯紙的制備方法，其特征在于:在步驟4)中加熱溫度不高于100攝氏度。
[0019]本發(fā)明提供了一種石墨烯/納米纖維素復(fù)合膜的綠色制備技術(shù)，其方法簡單、成本低、無需復(fù)雜設(shè)備、環(huán)境友好，能解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的石墨烯成膜性差、強度低、工藝復(fù)雜及環(huán)境污染等問題。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，采用該方法得到的石墨烯復(fù)合膜強度好、尺寸可控。納米纖維素作為天然高分子納米材料，具有機械性能優(yōu)異、可再生、可降解、無毒性的優(yōu)點，是在食品包裝、電子產(chǎn)品、生物醫(yī)藥、美容產(chǎn)品、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景的納米材料。由于納米纖維素機械強度和膜透光度高，柔韌性好，熱膨脹系數(shù)低，在未來的電子器件產(chǎn)品中極具應(yīng)用前景，因而開發(fā)其功能材料意義重大。
【附圖說明】
[0020]圖1石墨在納米纖維素分散液中經(jīng)機械攪拌超聲分散前后的照片，其中(a)、超聲分散前，(b)、超聲分散后得到的石墨烯與納米纖維素混合液。
[0021]圖2剝離后石墨烯的透射電鏡照片以及選區(qū)電子衍射花樣。
[0022]圖3石墨烯/納米纖維素的復(fù)合膜。
[0023]圖4石墨烯/納米纖維素的復(fù)合膜表面掃描電鏡照片。
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