一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜及其制备方法，该该薄膜是由芳纶纳米纤维包覆石墨纳米片，层层堆叠形成的层状有序纳米复合薄膜；首先将芳纶纳米纤维和石墨片混合加入溶剂，然后通过机械处理混合液，芳纶纳米纤维对石墨进行剥离和分散，通过氢键和π

【技术实现步骤摘要】
一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及石墨烯纳米薄膜
，涉及一种的芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]二维层状有序的纳米薄膜在纳米流体离子传输、渗透能量转化、电池隔膜和电气设备散热等领域具有潜在的应用。如氧化石墨烯、纳米粘土、过渡金属碳化物和氮化物(MXene)、石墨烯复合纳米纤维素等层状纳米薄膜，由于受限的层间纳米通道及表面电荷作用，可以实现离子的选择性和加速传输。但是这些纳米薄膜在应用中仍存在较大挑战：(1)前期二维纳米片的制备工艺复杂，而且纳米片的分散还需要额外的功能化。(2)纳米薄膜在水中的稳定性差。大部分的薄膜在溶液中容易润涨，甚至物理瓦解，极大地影响其离子传输性能及使用寿命。(3)无法适应复杂的环境。几乎所有的纳米复合薄膜研究都是在水溶液中，无法适用于酸、碱、有机溶剂等极端复杂的环境体系。此外层状有序的纳米薄膜中不同的组分又能赋予其它不同的性能。如在导热绝缘领域；一个重要的思路就是采用高导热系数的石墨烯、石墨、MXene等导电填料提高基体的导热性能，在低的导电填料填充下，薄膜虽然具有很好的绝缘性，但是其导热系数较低；在高含量的导电填料填充下，材料虽然具有高的导热性能，却失去了其绝缘性。因此如何在导电填料填充下实现材料的高导热性和绝缘性仍然存在很大困难。针对上述问题，设计并制备一种具有优异的结构稳定性、离子加速传输稳定性和极端环境适应性，同时兼具高的导热性和绝缘性能对于延长纳米流体器件的使用寿命、拓宽其环境适用范围和应用领域以及提高电气设备的散热性能具有重要意义。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜及其制备方法，该芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜具有优异的结构稳定性、离子加速传输稳定性和极端环境适应性，同时具有突出的绝缘性和导热性能。基于此该材料有望延长纳米流体器件的使用寿命，拓宽纳米流体器件在实际中的环境适用范围和应用领域，并提高电气设备的散热能力。该制备方法操作简单并且无需二次功能化。
[0004]为了达到上的目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜，该复合薄膜是由芳纶纳米纤维包覆石墨纳米片，层层堆叠形成的层状有序纳米复合薄膜；所述复合薄膜在水中长时间浸泡，仍能保持结构完整以及力学性能稳定；长时间在水溶液中浸泡仍保持稳定的离子加速传输性能；能在极端环境即酸、碱和有机溶剂中实现离子加速传输，同时在极端环境中能保持结构完整以及稳定的离子加速传输性能；同时具有突出的绝缘性和导热性能，突出的绝缘性表现为体积电阻率超过10
10
Ω.cm，具有突出的导热性能表现为导热系数能够达到41.5W/m.K。
[0006]所述薄膜在水中长时间浸泡指的是在水中浸泡60～120天。
[0007]所述长时间在水溶液中浸泡仍保持稳定的离子加速传输性能指的是将复合薄膜
在水溶液中浸泡30～90天后，在浓度小于10
‑3mol/L的盐溶液中测试时，复合薄膜的离子电导率仍高于盐溶液本身的离子电导率，并且复合薄膜的离子电导率与浸泡前保持一致。
[0008]所述能在极端环境即酸、碱和有机溶剂中实现离子加速传输，同时在极端环境中能保持结构完整以及稳定的离子加速传输性能中的能保持结构完整指的是复合薄膜在酸、碱和有机溶剂中浸泡30天内仍保持结构完整，稳定的离子加速传输性能指的是复合薄膜浸泡在极端环境溶液中30天后，在极端环境溶液中浓度小于10
‑3mol/L低盐浓度测试时，复合薄膜的离子电导率仍高于极端环境溶液本身的离子电导率，并且复合薄膜的离子电导率与浸泡前保持一致。
[0009]所述的芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜的制备方法，将芳纶纳米纤维和石墨片，加入溶剂中配置成混合液，再经过机械处理，在机械力的辅助作用下芳纶纳米纤维对石墨片进行剥离和分散，通过氢键和π
‑
π键作用包覆于石墨纳米片表面的芳纶纳米纤维由于表面负电荷的排斥作用，从而形成均质并稳定的芳纶纳米纤维包覆石墨悬浮液，然后高温下加热并搅拌悬浮液浓缩其浓度，最后刮涂并热压得到芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜。
[0010]优选的，芳纶纳米纤维和石墨片的质量比为(1
‑
9)：(9
‑
1)，在这个质量比下芳纶纳米纤维可以对石墨进行有效插层形成石墨纳米片；同时在这个质量比下芳纶纳米纤维可以有效包覆石墨纳米片，有利于形成均匀分散的芳纶纳米纤维包覆石墨纳米片悬浮液。
[0011]优选的，使用的溶剂为：超纯水、乙醇、异丙醇、甲醇、二甲基亚砜、丙酮、二甲基乙酰胺、环己烷中的一种或任意两种或任意三种，这些溶剂或者复合溶剂，可以兼顾芳纶纳米纤维和石墨片不同的化学性质，即能分散石墨，也能分散芳纶纳米纤维。
[0012]优选的，芳纶纳米纤维包覆石墨和溶剂的质量比为1：(1
‑
5)，当芳纶纳米纤维包覆石墨的质量较高时，导致复合溶液的固含量较高，在机械处理时石墨片和芳纶纳米纤维受到的机械力不均匀，从而不利于芳纶纳米纤维对石墨片的均匀剥离，致使复合薄膜结构不均匀，最终影响复合薄膜的力学和离子传输性能。当溶剂质量较高时，复合溶液的体积增大，会耗费更多的时间和能耗。
[0013]优选的，机械处理为：机械搅拌、超声波粉碎、球磨、超声波清洗、PFI磨浆中的一种或任意两种，这些机械处理方式可以提供强的剪切力，在剪切力的作用下芳纶纳米纤维剥离石墨片，形成均匀分散的芳纶纳米纤维包覆石墨纳米片复合溶液。
[0014]优选的，机械处理的时间为0.5
‑
5h，机械处理的时间对于芳纶纳米纤维剥离石墨片至关重要，并最终影响能否形成稳定的芳纶纳米纤维包覆石墨纳米片悬浮溶液。时间太短，芳纶纳米纤维对于石墨片的剥离有限，最终形成的石墨纳米片太少，从而影响薄膜的力学性能、导热性以及离子传输性能。时间太长一方面是能耗高、时间久，另一方面是长时间的机械处理可能会破坏芳纶纳米纤维，并导致石墨片的横向尺寸大幅度减小，最终降低复合薄膜综合性能(力学、导热等)
[0015]优选的，热压的温度为50
‑
200℃，热压的压力为1
‑
50MPa，温度太低不利于芳纶纳米纤维包覆石墨复合薄膜中溶剂的蒸发，从而影响薄膜内部的纤维与纤维之间，以及纤维与石墨间的界面结合。温度太高时，高温会导致芳纶纳米纤维的分解，从而会影响复合薄膜的力学性能。在这个温度范围中干燥时复合薄膜中的溶剂可以有效的挥发，并且不会造成芳纶纳米纤维的分解。热压压力太大，干燥时湿态的芳纶纳米纤维包覆石墨复合薄膜容易
崩溃，不利于形成完整和均匀的复合薄膜；压力太小，不利于消除复合薄膜内部的缺陷或者大孔隙，同时也不利于纤维和纤维，纤维和石墨间界面作用的形成。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0017]一、本专利技术通过芳纶纳米纤维辅助结合机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜，其特征在于，该复合薄膜是由芳纶纳米纤维包覆石墨纳米片，层层堆叠形成的层状有序纳米复合薄膜；所述复合薄膜在水中长时间浸泡，仍能保持结构完整以及力学性能稳定；长时间在水溶液中浸泡仍保持稳定的离子加速传输性能；能在极端环境即酸、碱和有机溶剂中实现离子加速传输，同时在极端环境中能保持结构完整以及稳定的离子加速传输性能；同时具有突出的绝缘性和导热性能，突出的绝缘性表现为体积电阻率超过10
10
Ω.cm，具有突出的导热性能表现为导热系数能够达到41.5W/m.K。2.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜，其特征在于，所述薄膜在水中长时间浸泡指的是在水中浸泡60～120天。3.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜，其特征在于，所述长时间在水溶液中浸泡仍保持稳定的离子加速传输性能指的是将复合薄膜在水溶液中浸泡30～90天后，在浓度小于10
‑3mol/L的盐溶液中测试时，复合薄膜的离子电导率仍高于盐溶液本身的离子电导率，并且复合薄膜的离子电导率与浸泡前保持一致。4.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜，其特征在于，所述能在极端环境即酸、碱和有机溶剂中实现离子加速传输，同时在极端环境中能保持结构完整以及稳定的离子加速传输性能中的能保持结构完整指的是复合薄膜在酸、碱和有机溶剂中浸泡30天内仍保持结构完整，稳定的离子加速传输性能指的是复合薄膜浸泡在极端环境溶液中30天后，在极端环境溶液中浓度小于10
‑3mol/L低盐浓度测试时，复合薄膜的离子电导率仍高于极端环境溶液本身的离子电导率，并且复合薄膜的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋建伟，司联蒙，肖鸿，梁旭，申胜平，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：