以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜的方法，其特征在于：以低含量纳米纤维素水性悬浮液辅助分散石墨烯粉末，得到均匀稳定的石墨烯/纳米纤维素分散液，通过溶剂挥发法可制备石墨烯含量高达98wt.%且机械性能和导电性能均可控的柔性石墨烯复合膜。该方法简单、成本低、无需复杂设备、环境友好，能够解决现有技术中存在的石墨烯成膜性差、强度低以及环境污染等问题。与现有的技术相比，该方法得到的石墨烯膜强度好、尺寸可控、电导率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯和纳米纤维素领域，具体为一种以纳米纤维素分散并辅助高含量石墨烯粉末形成机械强度高、柔性良好的导电复合膜。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维材料。因其具有优异的电学、热学和力学性能，有望在纳米电子器件、透明导电薄膜、复合材料、抗静电材料、储能材料以及感应器等领域获得应用，因而成为继纳米碳管后备受瞩目的新型碳材料。石墨烯具有的独特性能使其在新型柔性电子元件领域极具应用前景。近来石墨烯已经在少数国家可以规模化生产，以期望开展其作为功能型复合材料的应用。石墨烯导电膜是石墨烯作为最接近实用化的应用之一，因而生产大面积可控石墨烯膜是当前石墨烯研究领域的热点。化学气相沉积法是制备石墨烯膜最重要的方法，是制备大尺寸、高质量石墨烯的方法之一，可以与现有的半导体制造工艺兼容。但是该方法设备昂贵，基底转移过程复杂，而且石墨烯的电子性质受衬底的影响很大。通过SiC外延生长法也可获得石墨烯膜，但由于SiC晶体表面结构较为复杂,难以获得大面积、厚度均一的石墨烯，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。将剥离法得到的石墨烯粉末或还原的氧化石墨烯粉末分散在有机溶剂（DMF，THF，N-methyl-2-pyrrolidone-NMP,等）或含有表面活性剂(Polyvinyl pyrrolidone–PVP)的溶液中，通过抽滤法也可以得到石墨烯膜。但是石墨烯分散液浓度都较低，有机溶剂具有毒性和环境污染性等不利于工业化生产。由纯石墨烯薄片产生的石墨纸多孔、非常脆弱；然而，由致密氧化的石墨烯产生的石墨纸则坚硬强韧。因而将氧化石墨烯膜通过加热或化学试剂还原也可以得到导电性能和机械性能俱佳的石墨烯膜，但是还原法得到的石墨烯存在很多缺陷，以热还原或化学还原氧化石墨烯得到的石墨烯膜的还原程度有限，同时石墨烯膜中极易产生气泡，尤其是热还原后膜会变得较脆，影响膜的最终性能。因而开发机械强度和柔韧性良好的石墨烯膜具有重要意义。近来研究报道将微量石墨烯或还原的氧化石墨烯（～10wt.%）添加到纳米纤维素基体中得到复合柔性透明膜的研究。但是采用该方法仅以获得柔性透明膜为目的，机械性能强度较高，但其石墨烯含量较低，因而电导率也比较低。
技术实现思路
本专利技术采用一种以低含量纳米纤维素水性悬浮液辅助分散石墨烯粉末，得到均匀稳定的石墨烯/纳米纤维素分散液，通过溶剂挥发法可制备石墨烯含量高达98wt.%且机械性能和导电性能均可控的柔性石墨烯复合膜。本专利技术提供一种以纳米纤维素辅助高含量石墨烯粉末形成机械强度高、柔性良好的导电复合膜的方法。采用该方法可以制备石墨烯/纳米纤维素比例高达98：2的复合膜，并且石墨烯的含量在1-98%的很宽范围内可调。纳米纤维素作为天然高分子纳米材料，具有机械性能优异、可再生、可降解、无毒性，成为食品包装、电子产品、生物医药、美容产品、复合材料等领域应用很有前景的纳米材料。由于纳米纤维素机械强度和膜透光度高，柔韧性好，热膨胀系数低，在未来的电子器件产品中极具应用前景，因而开发其功能材料意义重大。本专利技术所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜的方法，其特征在于：把纳米纤维素粉末添加到水（可以为自来水、纯净水、蒸馏水或去离子水等）中制得纳米纤维素分散液，向纳米纤维素分散液中添加石墨烯粉末，经过搅拌和超声处理后得到均匀分散的纳米纤维素与石墨烯的混合液，将该混合液水分挥发后得到高含量石墨烯柔性导电复合膜。本专利技术所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜的方法，其特征在于，所述纳米纤维素粉末的制备方法为：首先以植物纤维为原料，经过碱溶液浸泡、清洗烘干后除蜡，再清洗烘干后进行漂白处理，得到纯度较高的纤维素纤维；将得到的纤维加入到浓硫酸水溶液中，在中低温度加热条件下辅以搅拌进行水解处理，然后将所得混合液进行离心和清洗处理，最后经过冷冻干燥处理得到纳米纤维素粉末。本专利技术所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜的方法，其特征在于：所述植物纤维来源为农作物秸秆、木材类、麻类或果壳。本专利技术所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜的方法，其特征在于，纳米纤维素分散液的制备方法为：把纳米纤维素粉末添加到水中，在室温下搅拌后，采用超声处理使纳米纤维素粉末充分分散，得到纳米纤维素分散液；其中把纳米纤维素粉末添加到水中，使纳米纤维素粉末浓度为0.1-0.5wt.%。本专利技术所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜的方法，其特征在于：超声处理所用设备的功率为100-1000W，处理时间0.5-12h。本专利技术所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）、纳米纤维素粉末的制备：首先以植物纤维为原料，经过碱溶液浸泡、清洗烘干后除蜡，再清洗烘干后进行漂白处理，得到纯度较高的纤维素纤维；将得到的纤维加入到浓硫酸水溶液中，在加热条件下辅以搅拌进行水解处理，然后将所得混合液进行离心和清洗处理，最后经过冷冻干燥处理得到纳米纤维素粉末。（2）、纳米纤维素与石墨烯混合液的制备：将所得纳米纤维素粉末添加到水中，使纳米纤维素粉末浓度为0.1-0.5wt.%，在室温下搅拌0.5-12h，同时辅以超声处理0.5-12h，设备功率为100-1000W，使纳米纤维素粉末充分分散，得到纳米纤维素分散液；然后向纳米纤维素分散液中添加石墨烯粉末，搅拌和超声处理0.5-12h，设备功率为100-1000W，得到均匀分散的纳米纤维素与石墨烯的混合液；（3）、将纳米纤维素与石墨烯的混合液注入培养皿中，在不高于100摄氏度的温度下使水分挥发后得到高含量石墨烯柔性导电复合膜。本专利技术的有益效果：所选纳米纤维素为天然高分子，其原材料在地球上含量多、分布广，其原料可以为木类、麻类、果壳以及农作物的秸秆等废弃物。纳米纤维素本身机械性能好（弹性模量150G Pa，拉伸强度6GPa），表面因富含羟基官能团而活性大，且具有可再生、可降解、无毒等优点，是环境友好的绿色纳米材料。纳米纤维素在水中的悬浮液对石墨烯粉末起到了良好的分散、成膜以及增强作用，可以辅助成分范围较宽的石墨烯粉末（石墨烯含量高达98wt.%）形成完整薄膜。所得复合膜机械强度和柔韧性好，尺寸可控，导电性能佳。本专利技术所述方法简单、成本低、无需复杂设备、环境友好，能够解决现有技术中存在的石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜的方法，其特征在于：把纳米纤维素粉末添加到水中制得纳米纤维素分散液，向纳米纤维素分散液中添加石墨烯粉末，经过搅拌和超声处理后得到均匀分散的纳米纤维素与石墨烯的混合液，将该混合液水分挥发后得到高含量石墨烯柔性导电复合膜。

【技术特征摘要】
1.一种以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电复合膜的方法，
其特征在于：把纳米纤维素粉末添加到水中制得纳米纤维素分散液，向纳
米纤维素分散液中添加石墨烯粉末，经过搅拌和超声处理后得到均匀分散
的纳米纤维素与石墨烯的混合液，将该混合液水分挥发后得到高含量石墨
烯柔性导电复合膜。
2.按照权利要求1所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电
复合膜的方法，其特征在于，所述纳米纤维素粉末的制备方法为：
首先以植物纤维为原料，经过碱溶液浸泡、清洗烘干后除蜡，再清洗
烘干后进行漂白处理，得到纯度较高的纤维素纤维；将得到的纤维加入到
浓硫酸水溶液中，在加热条件下辅以搅拌进行水解处理，然后将所得混合
液进行离心和清洗处理，最后经过冷冻干燥处理得到纳米纤维素粉末。
3.按照权利要求2所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电
复合膜的方法，其特征在于：所述植物纤维的来源为农作物秸秆、木材类、
麻类或果壳。
4.按照权利要求1所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电
复合膜的方法，其特征在于，纳米纤维素分散液的制备方法为：把纳米纤
维素粉末添加到水中，在室温下搅拌后，采用超声处理使纳米纤维素粉末
充分分散，得到纳米纤维素分散液；其中把纳米纤维素粉末添加到水中，
使纳米纤维素粉末浓度为0.1-0.5wt.%。
5.按照权利要求1所述以纳米纤维素辅助制备高含量石墨烯柔性导电

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冬艳，隋国鑫，马娜，林国明，刘月月，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21