[发明专利]一种能增强韧性和强度的导电石墨烯复合薄膜及其制备方法有效

专利信息
申请号: 201911202191.9 申请日: 2019-11-29
公开(公告)号: CN110885075B 公开(公告)日: 2023-03-17
发明(设计)人: 邹锐;胡宁;宁慧铭;刘峰 申请(专利权)人: 重庆大学
主分类号: C01B32/168 分类号: C01B32/168;C01B32/184;C01B32/198
代理公司: 重庆大学专利中心 50201 代理人: 唐开平
地址: 400044 *** 国省代码: 重庆;50
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摘要:
搜索关键词: 一种 增强 韧性 强度 导电 石墨 复合 薄膜 及其 制备 方法
【说明书】:

发明公开了一种能增强韧性和强度的导电石墨烯复合薄膜及其制备方法,该复合薄膜由还原氧化石墨烯以及少量的聚多巴胺包覆碳纳米管组成,聚多巴胺包覆碳纳米管中的聚多巴胺和碳纳米管通过共价交联及碳纳米管缠结对薄膜起到协同增韧增强的作用。制备方法是:采用盐酸多巴胺‑Tris缓冲水溶液对碳纳米管进行表面改性制备聚多巴胺包覆碳纳米管,再将聚多巴胺包覆碳纳米管与氧化石墨烯溶液共混后通过蒸发诱导组装制备复合薄膜,进一步通过对复合薄膜进行化学还原后得到导电石墨烯复合薄膜。本发明的复合薄膜具有高强度、高韧性、高延展性和高导电性,本发明的制备方法绿色环保、简单便捷,具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于新材料技术领域,具体涉及一种导电石墨烯复合薄膜及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道连接成六边形蜂巢结构的单原子层,每个碳原子的4个价电子中的3个与其它碳原子之间形成3个sp2键,剩下的一个未成键电子与其它碳原子的未成键电子在垂直于层平面的pz轨道上形成贯穿整个石墨烯片层的大π键。独特的结构赋予石墨烯优异的性能,石墨烯是已知的强度最高的材料,理论拉伸强度可达130GPa,杨氏模量达1.0 TPa。同时,石墨烯还具有优异的热电性能,其在室温下的载流子迁移率约为15000 cm2/(V•s),导热系数高达5300 W/mK,电导率高达108 S/m。

为了将石墨烯优异的性能尤其是力学性能转化到实际应用中,促进其在航空航天、柔性器件、组织工程等领域的应用,近年来,发展了一系列基于石墨烯及其衍生物如氧化石墨烯 (GO)、还原氧化石墨烯 (rGO) 的仿珍珠层石墨烯复合薄膜材料。二元的石墨烯复合薄膜材料如rGO-聚乙烯醇(PVA)、rGO-聚(10,12-五碳二胺-1-醇)(PCDO)、rGO-聚丙烯酸(PAA)、rGO-1-氨基芘(AP)-辛二酸双 (N-羟基琥珀酰亚胺酯) (DSS)等,通过共价相互作用、氢键或π-π相互作用等有效地提高了石墨烯片层间的交联,但受限于聚合物本身的性能,所得到的复合薄膜力学性能提高有限,且无法同时提高薄膜的强度、韧性、伸长率,其拉伸强度和韧性一般在500 MPa和15 MJ/m3以下。三元的石墨烯复合薄膜材料如rGO-AP-1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯(PSE)、 rGO-Zn+2-PCDO、rGO-Ni+2-聚多巴胺(PDA)、rGO-Cu+-壳聚糖(CS)等,通过共价相互作用、氢键或π-π相互作用、离子键等两种或多种作用,有效地提高了复合薄膜的拉伸强度,但受制于离子键的短键长,这些薄膜的伸长率普遍较低,使得薄膜的韧性难以提高。此外,在rGO-AP-DSS、rGO-PCDO、rGO-AP-PSE等的制备过程中需要通过紫外辐射实现有机物的交联,此过程复杂且具有污染,而且AP-DSS、PCDO、AP-PSE价格非常昂贵,不利于复合薄膜的工业化制备。

所以,提供一种经济、绿色环保、简单便捷的方法来制备同时具有高强度、高韧性、高延展性的石墨烯复合薄膜是本领域技术的一个难题。

发明内容

针对现有技术存在的问题,本发明所要解决的技术问题就是提供一种能增强韧性和强度的导电石墨烯复合薄膜,它能提高石墨烯复合薄膜的强度、且增加韧性、还具有良好的导电性能。本发明还提供一种该石墨烯复合薄膜的制备方法,它能实现制备过程绿色环保、简单便捷。

为了解决上述的技术问题:

本发明提供的一种能增强韧性和强度的导电石墨烯复合薄膜,它由还原氧化石墨烯与聚多巴胺包覆碳纳米管按质量百分比:还原氧化石墨烯85~97.5%,聚多巴胺包覆碳纳米管2.5~15%组成,还原氧化石墨烯片层与聚多巴胺包覆碳纳米管堆叠而成,还原氧化石墨烯片层内部以及片层之间通过与聚多巴胺包覆碳纳米管之间交联在一起。

聚多巴胺包覆碳纳米管(PDA@CNTs)中的聚多巴胺(PDA)和碳纳米管(CNTs)通过共价交联和碳纳米管(CNTs)之间的缠结对薄膜起到协同增韧增强的作用。

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