一种石墨烯导电油墨、石墨烯导电膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种石墨烯导电油墨、石墨烯导电膜及其制备方法与应用。石墨烯导电油墨包含石墨烯、纤维素类物质和溶剂；溶剂选自绿色低沸点溶剂，纤维素类物质选自非离子型纤维素类物质。采用高压微射流方法制备得到该导电油墨。相比于传统氧化还原法，该方法制备的石墨烯无需经过氧化，因而具有高的电导率。该制备路线工艺简便，可连续规模化生产；通过调节乙基纤维素的浓度，可直接将石墨烯制备为可印刷的油墨。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯导电油墨、石墨烯导电膜及其制备方法与应用
本专利技术涉及石墨烯功能材料领域，尤其涉及石墨烯导电油墨、石墨烯导电膜及其制备方法与应用。
技术介绍
石墨烯是一种仅由C原子的sp2键结合的二维单层材料，自从其2004年被Novoselov等人发现以来，由于其优异的性质，引起了研究者们极大的兴趣。由于石墨烯独特的二维结构，它具有许多非凡的性质，如高载体流动性、高导热系数、高光学透射率、高抗拉强度、高杨氏模量和优异的柔韧性、极高的比表面积。因此，石墨烯有望用于能量转换和储存、传感器件和药物传递载体等，但目前主流的制备石墨烯的方法主要包括至下而上和自上而下的方法。此外，利用石墨烯高的导电性，可将其制备成导电油墨用于锂离子电池导电添加剂、热电薄膜等，但如何设计分散剂实现石墨烯油墨良好的分散是高性能应用的关键。自下而上的方法主要包括化学气相沉积或等离子体增强的化学气相沉积，该方法制备的石墨烯层数可控，但条件较苛刻，产率较低，需要复杂的转移工艺且容易污染或引入杂质，不利于规模化制备。自上而下的方法主要是利用大块层状石墨，采用外部施加的作用力，例如剪切力等作用削弱层间范德华作用制备少层石墨烯，该方法可实现大批量制备，但要得到少层石墨烯，需要高效的剥离作用力和有效的分散体系是石墨均匀分散。都柏林圣三一学院的科学家在2008年报道了采用超声和机械剥离的方法制备少层石墨烯纳米片，但该方法采用高沸点的有机溶剂作为石墨分散剂，需要复合的后续处理工艺，而且不环保，成本高。另外，有众多研究团队报道利用超声或电化学辅助的方法剥离石墨烯，但是该方法需要有效的插层剂。超声辅助的剥离制备周期长，而且产率较低；电化学辅助的剥离方法具有高效、快速的优势，但石墨电极在电化学体系容易崩解，致使电解体系失效，无法实现持续剥离，不可能实现石墨烯材料的批量制备。高压微射流剥离石墨烯是最近刚发展的剥离石墨烯及其层状二维材料的新方法。高压微射流是利用电气控制的液压站内的液压油来给液压缸加压，以此来驱动柱塞进行正位移的、往复运动，并通过单向阀的作用给物料加压，加压后的物料通过一个特别设计的微孔喷腔，液体通过不同微米孔径的喷腔会形成不同的均质压力，超高液体流速的原始层状石墨烯粉体在高剪切力和撞击力产生剪切对撞和空化效应得到片层较小且少层的石墨烯。该方法的提出和广泛应用是剑桥大学石墨烯创新中心和意大利理工学院的研究人员，但在剥离石墨烯的过程中他们都使用了高沸点的N-甲基吡咯烷酮作为石墨的分散溶剂，这给后续剥离石墨烯混合物的分离和进一步功能化/油墨加工处理带来巨大挑战，一般还需要借助溶剂交换法除去N-甲基吡咯烷酮并再分散石墨烯，该工艺不但繁琐，效率低，而且成本高，不利于工业应用。基于此，采用高压微射流高效、低廉、大批量剥离石墨烯的关键在于开发出优异分散且易处理的石墨剥离液，这不但决定了石墨能否被高效剥离为石墨烯，也决定了石墨烯的后续处理工艺在实际应用的可行性。开发优异分散且易处理的石墨剥离液并将其通过粘度调节制备可印刷的油墨对实现石墨烯工业应用具有重要的科学和应用价值。
技术实现思路
本专利技术提供一种石墨烯导电油墨，其包含：石墨烯、纤维素类物质和溶剂；其中，所述溶剂可以选自低沸点溶剂，例如选自沸点30-100℃的溶剂，示例性选自甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯和水中的至少一种，例如为乙醇和/或水；所述纤维素类物质选自非离子型纤维素类物质，例如可以选自乙基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟甲基纤维素和硝化纤维素中的至少一种，优选为乙基纤维素、羟乙基纤维素和硝化纤维素中的至少一种。根据本专利技术的实施方案，所述石墨烯导电油墨中，石墨烯的含量为30-50mg/mL，例如35-45mg/mL，示例性为26mg/mL、27mg/mL或45mg/mL。根据本专利技术的实施方案，所述石墨烯为少层石墨烯，例如其层数为1-10层，再如为1-5层。进一步地，所述石墨烯的厚度不超过6nm，例如不超过4nm、不超过3nm，示例性地，厚度为1.16nm。进一步地，所述石墨烯的横向尺寸为800nm-1.5μm，例如900nm-1.3μm，示例性为1.12μm。根据本专利技术的实施方案，所述石墨烯导电油墨中，所述纤维素类物质的含量为10-50mg/mL，例如为15-45mg/mL，示例性为5mg/mL、10mg/mL、15mg/mL或20mg/mL。根据本专利技术的实施方案，所述石墨烯导电油墨的粘度为20-80mPa·S，例如30-70mPa·S，示例性地，其粘度为27Pa·S、31Pa·S、35Pa·S、40Pa·S、45Pa·S、50Pa·S或54Pa·S。根据本专利技术的实施方案，所述石墨烯导电油墨的制备原料包括：石墨、纤维素类物质和溶剂，所述石墨可以选自鳞片状石墨和膨胀石墨中的至少一种，例如为天然鳞片状石墨或蠕虫状膨胀石墨；所述溶剂可以选自低沸点溶剂，例如选自沸点30-100℃的溶剂，示例性选自甲醇、乙醇、异丙醇和乙酸乙酯中的至少一种，例如为乙醇或水。进一步地，在制备原料中，所述纤维素类物质的含量为1-30mg/mL，例如5-25mg/mL，又如5-15mg/mL，示例性为5mg/mL、10mg/mL、15mg/mL、20mg/mL。进一步地，在制备原料中，所述石墨的含量为10-80mg/mL，例如20-60mg/mL，示例性为30mg/mL、40mg/mL、50mg/mL、60mg/mL。本专利技术还提供所述石墨烯导电油墨的制备方法，包括如下步骤：(1)将石墨加入到纤维素类物质/溶剂的混合溶液中，对所述混合溶液进行均质乳化预处理，得到石墨分散液；(2)采用高压微射流方法对所述石墨分散液进行机械剥离，得到石墨烯分散液；(3)对所述石墨烯分散液进行离心处理，除去尺寸较大、剥离不完全的石墨烯片层，得到的上层分散液为所述石墨烯导电油墨。根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述石墨具有如上文所述的含义。其中，所述石墨的目数为80-1000目，例如200-800目，示例性为80目、300目或600目。根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述纤维素类物质/溶剂的混合溶液中，纤维素类物质的含量为1-80mg/mL，例如5-60mg/mL、10-50mg/mL，示例性为10mg/mL、30mg/mL、50mg/mL。根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述石墨分散液中，石墨的含量为10-80mg/mL，例如20-60mg/mL，示例性为30mg/mL、40mg/mL、50mg/mL、60mg/mL。根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述均质乳化预处理的转速为500-1500rpm，例如750-1000rpm，示例性为500rpm、750rpm、850rpm或1000rpm。进一步地，所述均质乳化预处理的时间为30-100分钟，例如45-60分钟，示例性为30分钟、45分钟、50分钟或60分钟。根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述机械剥离的过程可以包括：先将预处理的石墨分散液通过20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯导电油墨，其特征在于，所述石墨烯导电油墨包含：石墨烯、纤维素类物质和溶剂；/n其中，所述溶剂选自低沸点溶剂，优选为沸点30-100℃的溶剂，更优选为甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯和水中的至少一种；/n优选地，所述纤维素类物质选自非离子型纤维素类物质；优选为乙基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟甲基纤维素和硝化纤维素中的至少一种。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯导电油墨，其特征在于，所述石墨烯导电油墨包含：石墨烯、纤维素类物质和溶剂；
其中，所述溶剂选自低沸点溶剂，优选为沸点30-100℃的溶剂，更优选为甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯和水中的至少一种；
优选地，所述纤维素类物质选自非离子型纤维素类物质；优选为乙基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟甲基纤维素和硝化纤维素中的至少一种。


2.根据权利要求1所述的石墨烯导电油墨，其特征在于，所述石墨烯导电油墨中，石墨烯的含量为30-50mg/mL；
优选地，所述石墨烯为少层石墨烯；
优选地，所述石墨烯的厚度不超过6nm，所述石墨烯的横向尺寸为800nm-1.5μm；
优选地，所述石墨烯导电油墨中，所述纤维素类物质的含量为10-50mg/mL。
优选地，所述石墨烯导电油墨的粘度为20-80mPa·S。


3.根据权利要求1或2所述的石墨烯导电油墨，其特征在于，所述石墨烯导电油墨的制备原料包括：石墨、纤维素类物质和溶剂；
优选地，所述石墨选自鳞片状石墨和膨胀石墨中的至少一种；
优选地，在制备原料中，所述石墨的含量为10-80mg/mL。


4.权利要求1-3任一项所述石墨烯导电油墨的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将石墨粉加入到纤维素类物质/溶剂的混合溶液中，对混合溶液进行均质乳化预处理，得到石墨分散液；
(2)采用高压微射流方法对所述石墨分散液进行机械剥离，得到石墨烯分散液；
(3)对所述石墨烯分散液进行离心处理，除去尺寸较大、剥离不完全的片层，得到的上层分散液为所述石墨烯导电油墨。


5.根据权利要求4所述石墨烯导电油墨的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述石墨具有如权利要求3所述的含义；优选地，所述石墨的目数为80-1000目；
优选地，步骤(1)中，所述纤维素类物质/溶剂的混合溶液中，纤维素类物质的含量为1-80mg/mL；
优选地，步骤(1)中，所述石墨分散液中，石墨粉的含量为10-80mg/mL；
优选地，步骤(1)中，所述均质乳化预处理的转速为500-1500rpm，均质乳化预处理的时间为30...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐凌云，张礼强，郑龙辉，吴立新，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建;35