[发明专利]一种基于石墨烯/聚吡咯纳米管3D插层结构的复合薄膜功能材料的制备方法

说明书

本发明涉及电磁屏蔽材料领域，尤其涉及一种基于石墨烯/聚吡咯纳米管3D插层结构的复合薄膜功能材料的制备方法。本发明基于软模板法，利用磺酸基染料为结构导向剂，成功调控聚吡咯的导电性能和微观形貌，得到尺寸均一的高导电性聚吡咯纳米管(ppyNT)。利用氧化石墨烯(GO)自组装特性，采用简单高效的真空抽滤法诱导ppyNT有序插入GO纳米片层间，形成独立自支撑的GO/ppyNT复合薄膜。采用温和、低能耗的两步法还原GO恢复其sp²长程共轭结构，为3D插层结构的石墨烯/聚吡咯纳米管复合薄膜电磁屏蔽功能材料提供了可规模化生产的方法。该材料在具有高电磁屏蔽效能的同时还具有抗折叠、耐腐蚀以及耐高低温的特性，在柔性电子设备的电磁屏蔽领域显示出巨大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及电磁屏蔽材料领域，尤其涉及一种基于石墨烯/聚吡咯纳米管3D插层结构的复合薄膜功能材料及其制备方法。

背景技术

随着可穿戴设备、可折叠显示器、柔性微型机器人以及密封原件等柔性电子设备技术的快速发展，现代社会对可折叠及多环境适应性的高性能电磁屏蔽材料需求日益迫切。然而，传统的金属屏蔽材料存在高刚性、不易弯折以及高密度特性等缺点，限制了其在柔性电子设备的应用。

目前，石墨烯因其易加工性、高导电性和稳定的二维碳纳米结构成为了电磁屏蔽材料领域的研究热点。但宏观石墨烯纳米材料的抗折叠性能较差，限制了其作为新型电磁屏蔽材料的广泛应用。中国专利[申请号CN201910581962.3]公开了一种石墨烯橡胶电磁屏蔽材料的制备方法，使石墨烯纳米材料获得了优异的抗折叠性，但其只专注抗折叠性能的单一研究，材料不具有多环境适应性。文献[Carbon,2018,133:316-322]通过氢碘酸还原、2800℃热还原以及12h的机械压缩过程，最终获得了具有高电导率的石墨烯复合薄膜，但其制备过程复杂，耗时耗能，难以满足工业生产要求。除了提高材料的电导率，在屏蔽材料内部构建微结构也是获得高电磁屏蔽效能的有效方式。文献[Carbon,2018,135:44-51]采用浇注法制备氧化石墨烯薄膜，并在3000℃高温膨胀处理，制备出具有多层结构的石墨烯薄膜，但其不规则膨胀导致其机械性能较差，应用受到限制。值得注意的是，聚吡咯作为典型的导电聚合物，具有突出的环境稳定性和高导电性等优点，在电磁屏蔽领域同样备受关注。将石墨烯与聚吡咯复合得到的复合材料不仅能够集成两种材料的优点，而且有利于产生协同效应，使复合材料的各方面性能均高于单一材料。Nisha等人[Composites Science andTechnology,2020,193:108113-108121]采用原位化学氧化法成功合成了具有较高电磁屏蔽性能的聚吡咯/石墨烯纳米复合材料，但该制备过程不稳定，复合材料形貌难以保持，无法实现大规模生产。

总体来看，文献报道的以聚吡咯或石墨烯为基材的电磁屏蔽材料的制备与应用存在以下问题：一是化学氧化法是目前制备聚吡咯纳米复合材料的主要方法，但由于其反应过程中影响因素的多样性，通过简便的方法制备尺寸均一的高导电性聚吡咯仍具有一定的挑战；二是通常使用1300℃以上的超高温热还原以获得高导电率的石墨烯薄膜，但在此过程中石墨烯薄膜易膨胀变形，需要进行长时间的机械压缩，超高的还原温度以及长时间的压缩过程使目前石墨烯薄膜制备工艺繁琐，能耗大，难以满足工业生产要求；三是单一的石墨烯薄膜内部难以构建稳定的微结构，造成其电磁屏蔽效能和机械性能较低；四是当前对石墨烯电磁屏蔽材料仅限于单一特性的研究，对其抗折叠、耐腐蚀以及耐高低温等多特性的全面研究较少，不利于石墨烯电磁屏蔽材料在电磁屏蔽领域的更多使用场景的开发。

发明内容