[发明专利]一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜及其制备方法，该该薄膜是由芳纶纳米纤维包覆石墨纳米片，层层堆叠形成的层状有序纳米复合薄膜；首先将芳纶纳米纤维和石墨片混合加入溶剂，然后通过机械处理混合液，芳纶纳米纤维对石墨进行剥离和分散，通过氢键和π‑π键作用包覆于石墨纳米片表面的芳纶纳米纤维由于负电荷的排斥进而形成均质的悬浮液，最后采用高温浓缩、刮涂、热压的方式得到芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜。该方法操作简单，克服了传统纳米片制备过程复杂且需要二次功能化来分散的问题。由该方法制备的薄膜具有优异的结构稳定性，具有长时间的离子加速传输稳定性同时具有优异的极端环境适应性，并且具有突出的绝缘性和导热性能。

技术领域

本发明涉及石墨烯纳米薄膜技术领域，涉及一种的芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜及其制备方法。

背景技术

二维层状有序的纳米薄膜在纳米流体离子传输、渗透能量转化、电池隔膜和电气设备散热等领域具有潜在的应用。如氧化石墨烯、纳米粘土、过渡金属碳化物和氮化物(MXene)、石墨烯复合纳米纤维素等层状纳米薄膜，由于受限的层间纳米通道及表面电荷作用，可以实现离子的选择性和加速传输。但是这些纳米薄膜在应用中仍存在较大挑战：(1)前期二维纳米片的制备工艺复杂，而且纳米片的分散还需要额外的功能化。(2)纳米薄膜在水中的稳定性差。大部分的薄膜在溶液中容易润涨，甚至物理瓦解，极大地影响其离子传输性能及使用寿命。(3)无法适应复杂的环境。几乎所有的纳米复合薄膜研究都是在水溶液中，无法适用于酸、碱、有机溶剂等极端复杂的环境体系。此外层状有序的纳米薄膜中不同的组分又能赋予其它不同的性能。如在导热绝缘领域；一个重要的思路就是采用高导热系数的石墨烯、石墨、MXene等导电填料提高基体的导热性能，在低的导电填料填充下，薄膜虽然具有很好的绝缘性，但是其导热系数较低；在高含量的导电填料填充下，材料虽然具有高的导热性能，却失去了其绝缘性。因此如何在导电填料填充下实现材料的高导热性和绝缘性仍然存在很大困难。针对上述问题，设计并制备一种具有优异的结构稳定性、离子加速传输稳定性和极端环境适应性，同时兼具高的导热性和绝缘性能对于延长纳米流体器件的使用寿命、拓宽其环境适用范围和应用领域以及提高电气设备的散热性能具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜及其制备方法，该芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜具有优异的结构稳定性、离子加速传输稳定性和极端环境适应性，同时具有突出的绝缘性和导热性能。基于此该材料有望延长纳米流体器件的使用寿命，拓宽纳米流体器件在实际中的环境适用范围和应用领域，并提高电气设备的散热能力。该制备方法操作简单并且无需二次功能化。

为了达到上的目的，本发明采用如下技术方案：

一种芳纶纳米纤维包覆石墨纳米复合薄膜，该复合薄膜是由芳纶纳米纤维包覆石墨纳米片，层层堆叠形成的层状有序纳米复合薄膜；所述复合薄膜在水中长时间浸泡，仍能保持结构完整以及力学性能稳定；长时间在水溶液中浸泡仍保持稳定的离子加速传输性能；能在极端环境即酸、碱和有机溶剂中实现离子加速传输，同时在极端环境中能保持结构完整以及稳定的离子加速传输性能；同时具有突出的绝缘性和导热性能，突出的绝缘性表现为体积电阻率超过10¹⁰Ω.cm，具有突出的导热性能表现为导热系数能够达到41.5W/m.K。

所述薄膜在水中长时间浸泡指的是在水中浸泡60～120天。

所述长时间在水溶液中浸泡仍保持稳定的离子加速传输性能指的是将复合薄膜在水溶液中浸泡30～90天后，在浓度小于10^-3mol/L的盐溶液中测试时，复合薄膜的离子电导率仍高于盐溶液本身的离子电导率，并且复合薄膜的离子电导率与浸泡前保持一致。