一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法，仿生构筑石墨烯复合材料在近年来取得了长足的发展。大量研究表明离子键和其他作用的协同效应有助于提高石墨烯复合材料的力学强度和电学性能。但大部分工作都是利用离子键直接作用相邻氧化石墨烯片层。受到离子键键长和键能的限制，这种石墨烯复合材料的力学性能难以进一步提高。本发明专利技术通过模仿吻沙蚕的钳口中离子键与有机物配位的独特结构，提出了一种在石墨烯片层间构筑新型的离子键‑共价键协同界面的方法，构筑了仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料；其拉伸强度约为纯石墨烯的5倍，同时还具有优异的电导率，在航空航天、超级电容器、柔性电子器件等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。同时，石墨烯具有极高的电子迁移率(15000cm2/V·s)、导热系数(5300W/m·K)以及透光率(97.7％)，在航空航天、超级电容器、柔性电子器件等领域具有极大的应用潜力。氧化石墨烯(GrapheneOxide)作为石墨烯的一种衍生物，表面及边缘含有大量含氧官能团，如羟基、羰基、羧基等，而且具有优异的机械性能。以氧化石墨烯为基元材料仿生构筑层状复合材料显示出了极大的优势。氧化石墨烯本身丰富的官能团使其更加便于进行多样化的界面设计，目前普遍采用的方法，主要有以下几种：(1)Ruoff等人提采用二价无机离子交联(ACSNano2008,2,572)，如Mg2+、Ca2+，提高氧化石墨烯层间的强度；(2)，Ruoff等人还提采用聚丙烯胺交联(J.Phys.Chem.C2009,113,15801)或烷基胺交联(ACSNano2010,4,2300)氧化石墨烯，也实现了对氧化石墨烯材料强度的提高；(3)Nguyen等人利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚乙烯醇(PVA)(Adv.Funct.Mater.2010,20,3322)通过氢键与氧化石墨烯交联，得到了力学强度提高的氧化石墨烯材料；(4)Nguyen等人提出采用硼酸盐交联(Adv.Mater.2011,23,3842)氧化石墨烯，提高氧化石墨烯层间强度；(5)张忠等人提出采用戊二醛交联(ACSNano2011,5,2134)氧化石墨烯，提高氧化石墨烯层间强度；(6)程群峰等人采用10,12-二十五碳二炔-1-醇(PCDO)共价交联(Angew.Chem.Int.Ed.2013,125,3838)，得到了韧性大幅提高的石墨烯层状材料；(7)Tsukruk等人利用蚕丝蛋白与氧化石墨烯(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,13784)得到了高强度的石墨烯材料；(8)冯嘉春等人采用聚醚酰亚胺(PEI)交联(Adv.Mater.2013,25,2980)，提高了氧化石墨烯层间强度；(9)程群峰等人利用聚多巴胺(PDA)与氧化石墨烯共价交联(ACSNano2014,8,9511)得到了力学性能优异的石墨烯复合材料；(10)石高全等人利用石墨烯凝胶蒸发的方法构筑石墨烯片层“互锁”结构得到高强度导电石墨烯复合材料(Adv.Mater.2014,26,7588)；(11)程群峰等人利用壳聚糖(CS)与氧化石墨烯共价交联(ACSNano2015,9,9830)得到了强韧一体化的石墨烯复合材料；(12)Tsukruk等人利用层层组装旋涂的方法制备了氧化石墨烯-纤维素纳米晶(CNC)复合材料(Adv.Mater.2016,28,1501)，强度达到655MPa,为当时最高；(13)程群峰等人利用氧化石墨烯、羟丙基纤维素(HPC)和铜离子(Sci.China,Technol.Sci.2016,60,758)，氧化石墨烯、PCDO和锌离子(J.Mater.Chem.A2016,4,17073)，氧化石墨烯、多巴胺(DPA)和铁离子(Adv.Funct.Mater.2017,27,1605636)构筑了具有离子键的协同界面，提高了石墨烯的力学性能；(14)石高全等人通过真空抽滤的方法构筑石墨烯-纤维素纳米晶复合材料(Adv.Mater.2017,29,1702831)，大大提高了石墨烯的力学以及电学性能。尽管以上报道实现了复合材料在力学强度上的提高，但与理论计算所能达到的值仍存在相当大的差距。如何在现有的基础上提出一种新的界面构筑方法，实现力学强度的进一步提高仍然是一个巨大挑战。目前关于氧化石墨烯、壳聚糖和铜离子材料的相关专利有：一种氨基功能化石墨烯/壳聚糖复合材料的制备及其在检测铜离子中的应用(201510960457.1)、一种磁性氧化石墨烯吸附剂材料的制备方法及应用(201510863595.8)。关于氧化石墨烯、壳聚糖和铜离子作用的论文有：J.Environ.Chem.Eng.2013,1,1044；Sensor.Actuat.B:Chem.2014,195,1；J.colloid&interfacesci.2014,416,243。以上专利和论文只讨论了壳聚糖-氧化石墨烯复合材料对铜离子的吸附作用，并没有报道以石墨烯为基元材料构筑的高强度仿生复合材料。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法，通过铜离子与壳聚糖配位，克服了原有材料界面中离子键的缺点，通过真空抽滤诱导自组装的方法，仿生构筑了具有高强度、高韧性的导电层状石墨烯复合材料，其拉伸强度是石墨烯的5倍，同时还具有优异的电导率，在航空航天、电容器电极、组织工程等领域具有广泛的应用前景。本专利技术是通过下述技术方案实现的：仿生构筑石墨烯复合材料在近年来取得了长足的发展。大量研究表明离子键和其他作用的协同效应有助于提高石墨烯复合材料的力学强度和电学性能。但大部分工作都是利用离子键直接作用相邻氧化石墨烯片层。受到离子键键长和键能的限制，这种石墨烯复合材料的力学性能难以进一步提高。本专利技术通过模仿吻沙蚕的钳口中离子键与有机物配位的独特结构，提出了一种在石墨烯片层间构筑新型的离子键-共价键协同界面的方法，构筑了仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料。其拉伸强度约为纯石墨烯的5倍，同时还具有优异的电导率，在航空航天、超级电容器、柔性电子器件等领域具有广泛的应用前景。本专利技术通过超声的方法，得到不同比例的氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子均一分散液，并实现了铜离子含量在任意比例范围内的调控。基于此方法，利用真空抽滤诱导自组装的方法得到了一系列不同石墨烯含量的仿生层状氧化石墨烯复合材料。通过氢碘酸还原，得到了一种仿吻沙蚕层状超强导电石墨烯复合材料。本专利技术技术解决方案，一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将壳聚糖溶液和氯化铜溶液混合均匀，搅拌得到壳聚糖-铜离子溶液；(2)将壳聚糖-铜离子溶液在搅拌条件下加入氧化石墨烯水溶液中，获得凝胶状析出的氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子不均一分散液；(3)将上述氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子不均一分散液进行超声处理，并加入碱溶液，调节pH为8-12，得到均一的氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子分散液；(4)在确定壳聚糖最佳含量的基础上，通过改变步骤(1)中氯化铜的含量，重复步骤(1)-(3)，得到不同铜离子含量的氧化石墨烯复合材料；(5)将步骤(3)所得的均一的氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子分散液进行真空抽滤，利用真空诱导自组装获得化学交联的层状氧化石墨烯复合材料；(6)将步骤(5)所得的层状氧化石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将壳聚糖溶液和氯化铜溶液混合均匀，搅拌得到壳聚糖‑铜离子溶液；(2)将壳聚糖‑铜离子溶液在搅拌条件下加入氧化石墨烯水溶液中，获得凝胶状析出的氧化石墨烯‑壳聚糖‑铜离子不均一分散液；(3)将上述氧化石墨烯‑壳聚糖‑铜离子不均一分散液进行超声处理，并加入碱溶液，调节pH为8‑12，得到均一的氧化石墨烯‑壳聚糖‑铜离子分散液；(4)在确定壳聚糖最佳含量的基础上，通过改变步骤(1)中氯化铜的含量，重复步骤(1)‑(3)，得到不同铜离子含量的氧化石墨烯复合材料；(5)将步骤(3)所得的均一的氧化石墨烯‑壳聚糖‑铜离子分散液进行真空抽滤，利用真空诱导自组装获得化学交联的层状氧化石墨烯复合材料；(6)将步骤(5)所得的层状氧化石墨烯复合材料用氢碘酸(HI)还原，获得强韧一体化的仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将壳聚糖溶液和氯化铜溶液混合均匀，搅拌得到壳聚糖-铜离子溶液；(2)将壳聚糖-铜离子溶液在搅拌条件下加入氧化石墨烯水溶液中，获得凝胶状析出的氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子不均一分散液；(3)将上述氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子不均一分散液进行超声处理，并加入碱溶液，调节pH为8-12，得到均一的氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子分散液；(4)在确定壳聚糖最佳含量的基础上，通过改变步骤(1)中氯化铜的含量，重复步骤(1)-(3)，得到不同铜离子含量的氧化石墨烯复合材料；(5)将步骤(3)所得的均一的氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子分散液进行真空抽滤，利用真空诱导自组装获得化学交联的层状氧化石墨烯复合材料；(6)将步骤(5)所得的层状氧化石墨烯复合材料用氢碘酸(HI)还原，获得强韧一体化的仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料。2.根据权利要求1所述的一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，将壳聚糖溶液和氯化铜溶液混合均匀，搅拌得到壳聚糖-铜离子溶液的过程为：壳聚糖溶液的配制过程是：将壳聚糖粉末溶解于体积分数1-5％的醋酸溶液中，配制成5-40mg/mL的壳聚糖分散液，搅拌至少两周使其均匀分散；氯化铜溶液的配制过程为：氯化铜溶解于去离子水中，配置成均匀的分散液，壳聚糖-氯化铜溶液的配制是将氯化铜溶液加入壳聚糖溶液中，在室温下搅拌超过10小时。3.根据权利要求1所述的一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，氧化石墨烯-壳聚糖-铜离子不均一分散液为新制条件下超声，且在加入碱溶液之前超声5-15min，使凝胶状聚沉物疏松，此时再加入的氢氧化钠溶液，调节pH为8-12，并超声15-25min即得到均一分散的氧化石墨烯-壳聚糖水分散液。4.根据权利要求1所述的一种仿吻沙蚕高强度导电石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，确定壳聚糖最佳含量的具体操作如下：(a)将壳聚糖溶液在搅拌条件下加入氧化石墨烯水...

【专利技术属性】
技术研发人员：程群峰，彭景淞，程逸人，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11