高性能的石墨烯复合纳米纤维素及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供了一种高性能的石墨烯复合纳米纤维素，主要由纳米纤维素与石墨烯类物质组成，石墨烯类物质与纳米纤维素相互原位搭载；所述石墨烯复合纳米纤维素中，石墨烯类物质的含量在20wt％以下，进一步的为10wt％以下，更进一步的为0.5wt％‑5wt％之间。制备方法包括：(A)将纤维素、石墨烯类物质以及蒸馏水去离子水混合超声分散、研磨得到悬浮液；(B)将悬浮液超声、离心，冷冻干燥成型即得石墨烯复合纳米纤维素。本发明专利技术实施例的石墨烯复合纳米纤维素，石墨烯类物质可以保持较高的含量，石墨烯颗粒依然分散比较均匀，颗粒大小也比较均一，团聚颗粒产生较少，并且还额外赋予了纳米纤维素优异的抗菌性能、远红外性能，优良的韧性、耐热水性和抗静电性能。

【技术实现步骤摘要】
高性能的石墨烯复合纳米纤维素及其制备方法、应用
本专利技术涉及纳米纤维素加工制备领域，具体而言，涉及一种高性能的石墨烯复合纳米纤维素及其制备方法、应用。
技术介绍
纤维素是地球上广泛存在且可再生的资源。纳米微晶纤维素，是天然纤维素经过处理(如酸水解、生物酶水解等)后，纤维素中的无定形区及低结晶度的结晶区被破除，而得到的一种纤维素结晶体。由天然纤维素制备的纳米微晶纤维素不但具有纤维素的基本结构与性能，还具有巨大的比表面积(～70)、高结晶度(>70％)、高亲水性、高杨氏模量、高强度(7500MPa)、超精细结构和高透明性，良好的生物可降解性与生物相容性以及稳定的化学性能。另外，因纤维素表面裸露出大量羟基、还原性及非还原性末端基，使得纳米微晶纤维素具有巨大的化学改性潜力，促使其在造纸、医药、食品、复合材料等领域的应用研究炙手可热。石墨烯是一种由单层sp2杂化碳原子组成的蜂窝状结构的二维材料，具有许多优异的性能。自从2004年被发现起，石墨烯就成为了科学界的一大研究热点。在对石墨烯的物理化学性质进行研究的同时，与石墨烯相关的复合材料也层出不穷。在纳米科学方向上，石墨烯也被用来制备相关的纳米复合材料，尤其是石墨烯/金属或石墨烯/金属氧化物的纳米复合材料。由于石墨烯的优异性能，这些纳米复合材料在新型能源、生物传感、催化、光学材料等领域有着广阔的研究前景。现有技术中，石墨烯复合纳米纤维素的相关产品比较多，比如专利CN103937032A中介绍了一种纤维素纳米晶/石墨烯复合彩色膜及其快速制备方法，通过将制备好的纤维素纳米晶制备成溶液与石墨烯混合，超声分散，真空抽滤得到彩色膜。还有专利CN104910394A中介绍了一种氧化石墨烯助催化酸水解制备纳米微晶纤维素的方法，上述专利中均记载了石墨烯可以与纳米纤维素进行复合以形成复合产品的相关技术，但是问题在于，在保证了复合产品中一定的石墨烯添加量的同时，均存在石墨烯颗粒在纳米纤维素中分散不均匀，颗粒大小不均一，容易发生层间团聚的问题，这样一来不同片径石墨烯类物质带来的应力集中点会很容易发生断裂，影响制备出的产品的性能。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种具有高性能的石墨烯复合纳米纤维素，该复合型纤维素中，石墨烯类物质可以保持较高的含量，石墨烯颗粒依然分散比较均匀，颗粒大小也比较均一，团聚颗粒产生较少，且石墨烯类物质是在制备纳米纤维素过程中加入的，使得石墨烯类物质通过穿插打开纤维素非结晶区并与纳米纤维素相互搭载，实现原位复合，更有效的实现分散的均匀性和保持石墨烯和纳米纤维素各自的性能，并且还额外赋予了纳米纤维素优异的抗菌性能、远红外性能，优良的韧性、耐热水性和抗静电性能，采用的原料成本低，投资少，如此一来进一步扩大了纳米纤维素的市场应用范围，提高了产品的附加值，也有利于进一步推广应用。本专利技术的第二目的在于提供一种上述高性能的石墨烯复合纳米纤维素的制备方法，该制备方法前后步骤衔接紧密，方法简单快捷，整个制备过程中没有使用酸碱等任何化学药剂，绿色环保，也没有废酸废碱的产生，并且采用本专利技术的制备方法同样达到了采用了酸化制备纳米纤维素所具有的优点，比如适宜的长径比。而且该制备方法具有方法简单易于操作，操作条件温和，可实现石墨烯复合纳米纤维素的工业化生产、经济效益良好。本专利技术的第三目的在于提供上述具有高性能的石墨烯复合纳米纤维素的应用，该纳米纤维素产品应用非常广泛，可广泛应用于各个行业。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术实施例提供了一种高性能的石墨烯复合纳米纤维素产品，其主要由石墨烯类物质与纳米纤维素组成，所述石墨烯类物质与纳米纤维素相互原位搭载；所述石墨烯复合纳米纤维素中，石墨烯类物质的含量在20wt％以下，进一步的为10wt％以下，更进一步的为0.5wt％-5wt％之间。其中，该石墨烯复合纳米纤维素中，石墨烯类物质的含量在20wt％以下，因为石墨烯含量如果太高会容易导致石墨烯与纳米纤维素脱离，石墨烯颗粒在纳米纤维素中发生团聚，分散性不好，进而影响到最终产品的性能，因此石墨烯类物质的含量需要控制在适宜的范围内以保证优良的分散性，这个范围也是专利技术人通过大量的实践经验最终优化出的比较适宜的含量，更优的石墨烯类物质的含量控制在10wt％以下，还可以为0.5wt％-5wt％之间，除此之外例如为1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3.5wt％、4wt％等。总之，本专利技术的石墨烯复合纳米纤维素中，石墨烯含量本身比较高，但是颗粒分散比较均一，还额外赋予了纳米纤维素材料优异的抗菌性能、优良的韧性、耐热水性和抗静电性能，采用的原料成本低，投资少，如此一来进一步扩大了纤维材料的市场应用范围，提高了产品的附加值，也有利于进一步推广应用。进一步的，纳米纤维素由玉米芯纤维素制备得到，优选地，所述纳米纤维素为经过提纯漂白处理过的玉米芯纤维素制备得到。本专利技术制备纳米纤维素的原料优选为玉米芯纤维素，因为玉米芯纤维素本身相当于废物再利用，实现了资源的合理再分配，并且采用这种纤维素会使得制备得到的石墨烯复合纳米纤维素产品的粒径更加均一。玉米芯纤维素在制备纳米纤维素之前经过提纯漂白处理的具体方法包括：a.对玉米芯原料进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；所用酸为硫酸、盐酸、磷酸、亚硫酸等常用的酸液，酸的用量为玉米芯原料的1-10wt％，水解温度为100-150℃，时间为0.5-3h；b.用碱溶液处理上述的酸水解残渣，分离后得到碱解液和碱解残渣。所用碱为氢氧化钠，碱的用量为玉米芯原料的1-15wt％，处理温度为40-100℃，时间为1-6h；c.对上述的碱解残渣进行漂白处理，处理方式包括次氯酸钠漂白、双氧水漂白、碱处理、酸处理等方式中的一种或几种。经过上述提纯处理后，可以得到玉米芯纤维素，其主要的指标为纤维素含量：80-95％，白度70-90％，灰分0.1-2％，纤维长度0.05-0.5mm。更进一步的，纳米纤维素的长径比控制在(5-1000)：1，优选为(10-300)：1，更优选为(15-200)：1。实际操作时，纳米纤维素的最小直径小于20nm，优选为10nm以下，更优选为5nm以下。本专利技术所采用的石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种混合，所述石墨烯衍生物为经过改性的石墨烯。优选地，所述石墨烯衍生包括元素掺杂石墨烯或官能团化石墨烯物中的任意1种或至少2种的组合。优选地，所述元素掺杂石墨烯包括金属掺杂石墨烯或非金属元素掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合。所述金属掺杂的金属元素典型但非限制性的包括钾、钠、金、银、铁、铜、镍、铬钛、钒或钴。所述非金属元素掺杂石墨烯典型但非限制性的包括氮、磷、硅、硼或硅。优选地，所述非金属元素掺杂石墨烯包括氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯或硫掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合。优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有官能团的石墨烯。优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有羟基、羧基或氨基中的任意1种或至少2种的组合的石墨烯。本专利技术所述羟基包括-R1-OH，所述R1包括烷烃基，典型但非限制性的羟基可以是甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基等。本专利技术所述羧基包括-R本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能的石墨烯复合纳米纤维素，其特征在于，主要由纳米纤维素与石墨烯类物质组成，所述石墨烯类物质与纳米纤维素相互原位搭载；所述石墨烯复合纳米纤维素中，石墨烯类物质的含量在20wt％以下，进一步的为10wt％以下，更进一步的为0.5wt％‑5wt％之间。

【技术特征摘要】
1.一种高性能的石墨烯复合纳米纤维素，其特征在于，主要由纳米纤维素与石墨烯类物质组成，所述石墨烯类物质与纳米纤维素相互原位搭载；所述石墨烯复合纳米纤维素中，石墨烯类物质的含量在20wt％以下，进一步的为10wt％以下，更进一步的为0.5wt％-5wt％之间。2.根据权利要求1所述的石墨烯复合纳米纤维素，其特征在于，所述纳米纤维素由玉米芯纤维素制备得到；优选地，所述纳米纤维素为经过提纯漂白处理过的玉米芯纤维素制备得到。3.根据权利要求1所述的石墨烯复合纳米纤维素，其特征在于，所述纳米纤维素的长径比为(5-1000)：1，优选为(10-300)：1，更优选为(15-200)：1。4.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯复合纳米纤维素，其特征在于，石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种的混合，所述石墨烯衍生物包括元素掺杂的石墨烯；优选地，所述石墨烯衍生包括元素掺杂石墨烯或官能团化石墨烯物中的任意1种或至少2种的组合；优选地，所述元素掺杂石墨烯包括金属掺杂石墨烯或非金属元素掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合；所述金属掺杂的金属元素典型但非限制性的包括钾、钠、金、银、铁、铜、镍、铬钛、钒或钴；所述非金属元素掺杂石墨烯典型但非限制性的包括氮、磷、硅、硼或硅；优选地，所述非金属元素掺杂石墨烯包括氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯或硫掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合；优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有官能团的石墨烯；优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有羟基、羧基或氨基中的任意1种或至少2种的组合的石墨烯；其中，所述羟基包括R1-OH，所述R1包括烷烃基，典型但非限制性的羟基包括甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基中的其中一种；所述羧基包括R2-COOH，所述R2包括烷烃基，典型但非限制性的羟基包括甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基中的其中一种；所述羧基包括R3-NH3，所述R3包括烷烃基，典型但非限制性的羟基包括甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基中的其中一种。5.权利要求1-4任一项所述的石墨烯复合纳米纤维素的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：(A...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐一林，张金柱，许日鹏，刘顶，
申请(专利权)人：济南圣泉集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37