一种自修复石墨烯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自修复石墨烯复合材料及其制备方法，将石墨烯衍生物加入有机物水溶液中搅拌混合，之后加入硼酸盐溶液继续搅拌，制备得到自修复石墨烯复合材料；所述有机物为含有羟基基团有机物中的一种或多种。采用本发明专利技术制备方法制备得到的石墨烯复合材料通过氧化石墨烯边缘的羧基和有机物的羟基发生酯化反应形成的酯键、硼酸盐和有机物形成的硼酸酯键以及硼酸酯键之间的氢键作用力交联起来，在凝胶态时具有一定的自修复功能，因此可作为一种自修复石墨烯复合材料。种自修复石墨烯复合材料。种自修复石墨烯复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种自修复石墨烯复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于高性能功能复合材料领域，涉及一种自修复石墨烯复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯材料是一种新兴二维碳材料，其内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，其中碳原子有4个价电子，3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。氧化石墨烯以及部分还原氧化石墨烯等是一种由石墨烯(由碳原子组成的单层薄片)通过氧化处理后形成的材料。在氧化石墨烯中，石墨烯表面的碳原子被氧原子所取代，生成羟基(
‑
OH)、羧基(
‑
COOH)、环氧基(
‑
O
‑
)等官能团。氧化石墨烯的化学结构较为复杂，表面包含大量的官能团，这些官能团的存在使得氧化石墨烯具有良好的亲水性、生物相容性和可溶性等特性，这也使得氧化石墨烯成为石墨烯在生物医药、能源存储等领域应用的重要材料，而与之相关的石墨烯复合材料也具有广阔的研究前景，石墨烯复合材料是可以根据用途以及使用场景等与其他材料相复合，使之具有特定的以及更优异的性能的材料，可根据需要运用于储能、导电、导热、传感等等领域，但目前制备的石墨烯复合材料拉伸断裂后不能自行修复，导致其导电性等性能发生下降，从而影响整个器件的使用，不能满足现某些工业生产等需求。
[0003]专利CN111154207A公布一种高拉伸应力自修复复合物的制备方法。该材料由氧化石墨烯与聚乙烯醇，采用先循环冷冻解冻，后烘干的方法制得。该复合物利用氧化石墨烯的丰富的含氧基团特性增加复合物的氢键位点，形成动态可逆的氢键网络使复合物具有自修复性能，同时还增强了复合物的力学性能。但该专利制备的自修复复合物自修复时间过长，并且需要加热条件才可以进行自修复，其自修复的效率较低，不能满足现代对于自修复材料的要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种自修复石墨烯复合材料及其制备方法。主要基于材料的设计和制备，通过添加特定的化学物质和纳米材料，在材料中形成一种自修复机制，当材料受到损伤时，化学物质和纳米材料会自动启动修复机制，重新连接并修复材料，修复时间短，不需要进行加热。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种自修复石墨烯纤维的制备方法，将石墨烯衍生物加入有机物水溶液中搅拌混合，之后加入硼酸盐溶液继续搅拌，制备得到自修复石墨烯复合材料；所述有机物为含有羟基基团的的醇类、纤维素类、羧酸、淀粉中的一种或多种。
[0007]进一步的，上述一种自修复石墨烯纤维的制备方法包括如下步骤：
[0008](1)有机物溶液的制备：
[0009]首先，将有机物粉末加入去离子水中，通过超声分散处理后，加入磁力搅拌子在磁力搅拌器上搅拌，使其充分溶解；之后在常温下放置使其充分冷却后得到有机物溶液；
[0010](2)自修复石墨烯复合材料的制备：
[0011]将石墨烯衍生物加入有机物溶液中，通过超声处理分散均匀，然后加入磁力搅拌子在磁力搅拌器上搅拌，使得石墨烯衍生物在有机物溶液中充分分散成粘稠状；最后滴加硼酸盐溶液，搅拌后得到自修复石墨烯复合材料。
[0012]进一步的，步骤(1)中所述有机物为聚乙烯醇、聚乙二醇、羟丙基甲基纤维素、聚丙烯醇中的一种或多种。
[0013]进一步的，步骤(1)中的有机物溶液的质量百分比浓度为0.5～30％。
[0014]进一步的，步骤(1)中的超声分散的时间为0.5～3h，超声分散的功率为50w～600w。
[0015]进一步的，步骤(1)中磁力搅拌时控制温度在20～100℃之间，搅拌的时间控制在0.5～4h。
[0016]进一步的，步骤(2)中的石墨烯衍生物选自氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、单层石墨烯、多层石墨烯、其他元素掺杂的石墨烯中的一种或多种，石墨烯衍生物添加的质量为有机物基体质量的0.1％～50％。
[0017]进一步的，步骤(2)中的加入石墨烯衍生物到有机物溶液中后搅拌时控制温度在15～45℃之间，搅拌的时间控制在2～8h。超声分散的时间为0.5～3h，超声分散的功率为50w～600w。
[0018]进一步的，步骤(2)中的所述的硼酸盐为硼砂、硼酸钠、硼酸锂、硼酸钾、硼酸钙、硼酸镁、偏硼酸钠、偏硼酸锂、偏硼酸钾、偏硼酸钙、偏硼酸镁中的一种或多种；所述硼酸盐溶液的质量百分比浓度为0.1～10％，滴加的硼酸盐溶液体积占有机物溶液体积的0.5％～5％。
[0019]本专利技术的有益效果如下：
[0020](1)由于氧化石墨烯边缘的羧基会和有机物上的羟基发生酯化反应而形成酯键，使得有机物与氧化石墨烯通过共价键连接，酯键可以在常温下存在相当长的时间，使得材料自修复性能持久性增强。
[0021](2)加入的硼酸盐和有机物可以通过反应生成具有交联网络结构的聚合物材料。在水中，硼酸盐和有机物的反应会形成硼酸酯键。硼酸酯键是一种硼酸根离子和羟基之间的化学键。在反应中，硼酸盐中的硼酸根离子和有机物中的羟基(
‑
OH)发生反应，形成硼酸酯键，同时释放出水分子(H2O)。硼酸酯键的形成使得有机物分子之间发生交联，形成一种3D网络结构，使得材料具有了较好的物理化学性质，如弹性、黏性和吸水性。
[0022](3)同时，在硼酸酯键中，硼酸酯键的三个氧原子中的一个氧原子与另外羟基中的氢原子形成氢键。这种氢键作用力可以增强硼酸酯键的稳定性，限制酯基的旋转和振动，并增加硼酸酯键的极性。
[0023](4)本专利技术利用上述反应制备了一种自修复石墨烯复合材料，该方法成本较低，易于制备和加工，制备的材料具有很高的修复效率和速度，能够在受损后迅速恢复原有性能；同时具有良好的可塑性和耐久性，能够适应复杂的应力和环境变化，且不需要额外的热、压力等特殊条件，可以在室温下自行修复，便于实际应用，具有很好的工程应用前景，可以广
泛应用于建筑、航空航天、汽车、电子等领域。
附图说明
[0024]图1为测试本专利技术实施例1制备的自修复石墨烯复合材料的自修复性能；
[0025]图2为本专利技术实施例1制备的自修复石墨烯复合材料的SEM图；
[0026]图3为本专利技术实施例2制备的自修复石墨烯复合材料的SEM图；
[0027]图4为本专利技术实施例3制备的自修复石墨烯复合材料的SEM图；
[0028]图5为本专利技术实施例1制备的自修复石墨烯复合材料的拉曼光谱图；
[0029]图6为本专利技术实施例2制备的自修复石墨烯复合材料的拉曼光谱图；
[0030]图7为本专利技术实施例3制备的自修复石墨烯复合材料的拉曼光谱图。
具体实施方式
[0031]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自修复石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：将石墨烯衍生物加入有机物水溶液中搅拌混合，之后加入硼酸盐溶液继续搅拌，制备得到自修复石墨烯复合材料；所述有机物为含有羟基基团的醇类、纤维素类、羧酸、淀粉中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的一种自修复石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)有机物溶液的制备：首先，将有机物粉末加入去离子水中，通过超声分散处理后，加入磁力搅拌子在磁力搅拌器上搅拌，使其充分溶解；之后在常温下放置使其充分冷却后得到有机物溶液；(2)自修复石墨烯复合材料的制备：将石墨烯衍生物加入有机物溶液中，通过超声处理分散均匀，然后加入磁力搅拌子在磁力搅拌器上搅拌，使得石墨烯衍生物在有机物溶液中充分分散成粘稠状；最后滴加硼酸盐溶液，搅拌后得到自修复石墨烯复合材料。3.根据权利要求2所述的一种自修复石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述有机物为聚乙烯醇、聚乙二醇、羟丙基甲基纤维素、聚丙烯醇中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的一种自修复石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的有机物溶液的质量百分比浓度为0.5～30％。5.根据权利要求2所述的一种自修复石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的超声分散的时间为0.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫润伟，赵晨鹏，王健农，张玉，聂毕嫄，王如意，徐标，冯松阳，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：