[发明专利]具有梯度结构的石墨烯/细菌纤维素复合材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种具有梯度结构的石墨烯/细菌纤维素复合材料的制备方法，采用膜液界面培养法，主要包括配制培养基、制备作为膜液界面培养石墨烯/细菌纤维素的基底膜；制备多种体积比(浓度)的石墨烯/未接种的培养基的混合培养基；按照喷洒的顺序混合培养基中的石墨烯的浓度从低到高变化，以雾状的形式将不同浓度石墨烯的混合培养基多次喷洒在基底膜上，实现膜液接触，每次喷洒后等膜表面的混合培养基消耗完毕后再进行下次的喷洒，从而形成在厚度方向上石墨烯与细菌纤维素比例呈梯度变化的石墨烯/细菌纤维素复合材料。本发明复合材料能为仿生生物材料、电磁梯度材料、导电梯度功能材料等新型先进材料的制备提供素材。

技术领域

本发明涉及一种具有梯度结构的石墨烯/细菌纤维素复合材料及其制备方法。

背景技术

在长期的进化和选择中，生物体在相当有限的元素和化合物可供选择的条件下巧妙地演化出功能梯度和非均匀性，从而创造了高性能的生物材料。梯度在生物体生存和发展的过程中发挥了不可或缺的作用。例如，天然(生物)材料通常是具有空间梯度和可调特性的复合材料。天然(生物)材料利用其梯度增强了一系列性能和功能，包括承载和支撑能力、界面强化、增韧以及非机械功能。受自然界中生物材料启发，人们认识到空间梯度的引入可以有效地提高材料的机械性能和功能性能。梯度材料的发展，提供了一种很有前途的途径来满足对材料的新兴应用的需求。

在电磁、导电材料中，石墨烯及复合材料具有极其广阔的应用前景。这是由于石墨烯具有优异的力学性能(模量约1100GPa、断裂强度约130GPa)、极高的导热性(其热导率高达5000W·m^-1·K^-1)、高的电子迁移率(达2×10⁵cm²·V^-1·S^-1)以及优异的阻隔性能等良好的性能。为了更好地发挥石墨烯优异特性、实现大规模工业化应用，目前许多研究将石墨烯与聚合物基体进行有效复合，制备结构功能一体化的石墨烯复合材料，如聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯复合材料、石墨烯气凝胶/碳织布复合材料等。但是由于存在如何快速、高效地制备石墨烯复合材料，降低试验成本，减少石墨烯在基体中团聚现象等问题需要解决，所以在电磁、导电材料中石墨烯复合材料还难以实现大规模工业化应用。

细菌纤维素是一种性能优异的新型纳米材料，具有超精细三维网状结构，能够与纳米片状的石墨烯形成石墨烯/细菌纤维素纳米复合材料。与其他基体材料相比，采用细菌纤维素作为石墨烯复合材料的基体材料，具有制备过程简单、绿色、无污染，可降解，良好的生物相容性，价格便宜，在生物合成时可调控等优势。并且通过膜液界面培养法制备石墨烯/细菌纤维素纳米复合材料，可以有效减少石墨烯在基体中的团聚。综上所述，石墨烯/细菌纤维素复合材料有望实现大规模工业化应用。

考虑到现有的石墨烯复合材料结构比较单一，对模拟复杂生物体组织及仿生学发展具有局限性，现有技术无法制备出具有梯度结构的石墨烯复合材料。

发明内容

为了克服现有技术问题，本发明创造性的提出采用膜液界面培养法制备出具有梯度结构(石墨烯与细菌纤维素比例在厚度方向呈梯度渐变)的石墨烯/细菌纤维素复合材料。本发明制备的石墨烯/细菌纤维素复合材料能为仿生材料的制备及发展提供素材，且在生物工程、电磁学领域上具有巨大的应用潜力。

本发明提供一种具有梯度结构的石墨烯/细菌纤维素复合材料的制备方法。此方法是将细菌纤维素与石墨烯复合，得到一种新型功能复合材料，为石墨烯复合材料制备提供了新思路。并且该复合材料具有梯度结构(石墨烯与细菌纤维素比例在厚度方向呈梯度渐变)，弥补了已有复合材料结构单一的缺憾。

本发明具有梯度结构的石墨烯/细菌纤维素复合材料，由石墨烯和细菌纤维素组成，且石墨烯与细菌纤维素比例在材料厚度方向呈梯度变化。