[发明专利]一种超高模量和高强度的氧化石墨烯薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米功能材料技术领域，涉及一种超高模量和高强度的氧化石墨烯薄膜及其制备方法，至少由以下三种原料制备得到：氧化石墨烯、含儿茶酚结构处理剂、交联剂，也可含有其他组分。该氧化石墨烯薄膜的特点在于尺寸宏观，且具有超高模量和高强度。

背景技术

薄膜材料是现代科技不可或缺的一部分，广泛应用于分离、电子电器及微纳电子器件、保护层和粘附层等领域。基于纳米成分的无机薄膜材料已经成功商业化应用，主要应用于高温粘合剂、保护层、高导热导电等方面，如剥离石英片的薄膜。

氧化石墨烯(Graphene Oxide)是一种含有多种含氧基团的单层碳原子二维材料，由sp²杂化碳原子共轭平面及其表面及边缘上的大量含氧基团(羟基、羧基、环氧基等)组成，它具有超大的比表面积和优异的力学性能，在聚合物复合材料、电磁学器件、生物医药等方面已有广泛的应用。

氧化石墨烯主要是通过强酸氧化石墨得到的石墨氧化物，石墨氧化物中石墨层间距由氧化前的3.35 ?增加到7~10 ?，并且表现为亲水性，经加热或在水中超声剥离，很容易形成分离的氧化石墨烯片层结构。

单层的氧化石墨烯片具有极其高的杨氏模量(200-500 GPa)和断裂强度(63 GPa)，但是，它纳米级别的尺寸限制了它作为宏观材料的应用。近年来研究发现，氧化石墨烯能够通过简单的抽滤或在气液界面自组装形成宏观的氧化石墨烯薄膜。由于氧化石墨烯片层间的氢键作用，纯的氧化石墨烯薄膜本身具有一定的力学性能。但是，目前文献中报道的各种氧化石墨烯薄膜，杨氏模量通常在6-42 GPa，拉伸强度在76-293 MPa，远远低于单层氧化石墨烯片，无法体现其性能优势。因此，通过化学或物理交联方法增强氧化石墨烯薄膜的力学性能是一种合适、有效的方式。

发明内容

本发明涉及一种超高模量和高强度的氧化石墨烯薄膜及其制备方法，至少由以下三种原料制备得到：氧化石墨烯、含儿茶酚结构处理剂，交联剂，也可含有其他组分。该氧化石墨烯薄膜的特点在于尺寸宏观，且具有超高模量和高强度。本发明中所使用的氧化石墨烯，是从膨胀石墨出发，利用改性的Hummers法氧化制备所得，也可以是利用其它方法如Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法及在此基础上进行改进的各种方法制备的氧化石墨烯。

本发明中的含儿茶酚结构处理剂，为具有邻二酚结构的儿茶酚小分子衍生物，具体为多巴胺的盐酸盐、肾上腺素、绿原酸或上述物质的衍生物。儿茶酚结构在碱性条件下被空气中的氧气氧化成醌式结构，同时，苯环结构形成自由基，并发生自聚，包覆在氧化石墨烯表面，经酸性水洗之后醌式结构重新变成儿茶酚结构。

本发明中所使用的交联剂，为分子量为500-50000的具有多氨基低聚物交联剂，具体为聚醚酰亚胺低聚物、聚丙烯胺低聚物等。儿茶酚结构在碱性条件下被氧化成醌式结构，容易同氨基发生麦克尔加成或席夫碱反应，从而形成化学键交联结构，起到增强作用。

本发明的材料中，还会用到各种其它助剂，如pH缓冲剂、氧化剂、还原剂等，不影响所发明材料的性能，并且根据实际情况使用。本发明中几种主要组份组成(质量份)比例由氧化石墨烯处理后的分散性和氧化石墨烯薄膜的力学强度决定。

氧化石墨烯、儿茶酚结构类处理剂及交联剂的质量份数比例如下：

氧化石墨烯            100份，

含儿茶酚结构处理剂    0.01-100份，

交联剂                0.01-200份。

制备方法上，有以下步骤：

（1）将膨胀石墨制成分散氧化石墨烯；将膨胀石墨利用改性的Hummers法氧化制得氧化石墨烯，取一定量氧化石墨烯(GO)置于pH8.5的三羟甲基氨基甲烷(Tris，10mM)缓冲溶液中超声分散30分钟，得到稳定的分散体系。

（2）将氧化石墨烯用含儿茶酚结构处理剂分散处理；在冰水浴中加入含儿茶酚结构处理剂，超声10分钟溶解，再转置磁力搅拌24h，抽滤，先用酸洗再水洗至中性，置于25℃真空烘箱干燥获得经含儿茶酚结构处理剂处理的氧化石墨烯(PGO)。