[发明专利]石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料及其制备方法、微流控芯片及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯与有机聚合物组成的复合材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种石墨烯与有机硅氧烷组成的复合材料及其制备方法，以及由该复合材料制备的微流控芯片及其应用。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，它具有许多优异的性质，如极高的比表面积、极高的电子迁移率、极强的力学性能等等，特别是用于制备复合材料，可以极大地增加或改进基体材料的性能。但是由于石墨烯的大π键结构，使其很容易堆积难以在基体材料中分散，大大限制其实际应用。针对这个问题，众多研究者致力于改性和修饰石墨烯，使其能在相应的基体材料中良好地分散，也取得了很多重要的进展，实现了石墨烯在多种聚合物材料中的分散。

微流控芯片是一种非常重要的控制流体在微米级的管道中流动的平台，在化学、生命科学以及医学等领域都有重要应用。许多的应用需要在一定的温度下进行，因此发展微流控芯片的加热方法一直是人们研究的方向，特别是能够定点加热。目前主要有两种方式，一种是利用在芯片中埋入电阻丝进行加热，这种方法的芯片制备工艺复杂，而且难以实现定点加热，还有一种方法是利用光加热，这种方法往往借助于强吸光的有机染料或者具有等离子体共振效应的贵金属纳米颗粒。而强吸光的有机染料合成复杂，在强光照射下的稳定性差，而贵金属纳米颗粒成本较高，难以广泛使用。而且两者适用的加热的波长范围都非常有限，在可见光区域实现的难度较大。

采用石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料制作微流控芯片是本领域中提升微流控芯片性能、拓展其应用领域的一个重要手段，但是在石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料的制备中，目前主要还是通过简单机械共混的方法，该方法难以实现石墨烯的良好分散，限制了石墨烯在微流控芯片中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种力学性能、导热性能、导电性能优异的石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料，还提供一种步骤简单、操作简便、成本低、产品优异的石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料的制备方法，并相应提供该石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料制作的微流控芯片，以及该微流控芯片作为高效、稳定加热平台的应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料，所述石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料主要由聚有机硅氧烷基体和石墨烯组成，所述石墨烯均匀分散于聚有机硅氧烷基体中；所述石墨烯与聚有机硅氧烷基体的质量比为（0.0001～0.1）∶1；所述石墨烯为修饰有亲油性基团（例如优选的正己基、十二烷基、十六烷基、十八烷基、烷氧基、烷基氨基等）的石墨烯或其衍生物（例如优选的氧化石墨烯、氨基化石墨烯、羧基化石墨烯等），所述聚有机硅氧烷基体为聚二甲基硅氧烷或其衍生物（例如优选的聚甲基乙基硅氧烷、聚二氯甲基硅氧烷等）。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备亲油性基团修饰的石墨烯：取氧化石墨烯固体放入N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，超声分散得到均匀分散液；取脂肪胺加入到前述均匀分散液中，超声分散使脂肪胺完全溶解，再将溶解后的混合液转入反应釜中，在80℃～140℃温度下充分反应完全，反应产物经乙醇离心洗涤（一般至少洗涤3 次）后，室温下真空干燥即得到亲油性基团修饰的石墨烯；

（2）配制前驱体混合体系：将上述步骤（1）制得的亲油性基团修饰的石墨烯加入到有机硅氧烷的前驱体中，充分搅拌混匀，并加入有机硅氧烷交联剂，继续搅拌得到前驱体混合体系；

（3）固化：将步骤（2）配制得到的前驱体混合体系先静置处理，然后在60℃～90℃温度下加热固化，得到石墨烯-聚有机硅氧烷复合材料。

上述的制备方法中，所述脂肪胺优选为含有1到18个碳原子的伯胺，每毫升的均匀分散液中添加脂肪胺3mg～20mg；所述亲油性基团修饰的石墨烯主要是指烷基链修饰的石墨烯。

上述的制备方法，所述步骤（1）中，充分反应完全所需的时间优选控制在0.5h～72 h。

上述的制备方法，所述步骤（3）中，静置处理的时间优选控制在5min～30min。