[发明专利]细菌纤维素/石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属复合材料技术领域，具体涉及一种由细菌纤维素和石墨烯复合而成的复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，这种二维石墨晶体薄膜的厚度只有一个碳原子厚，强度却是钢材的100倍。它是目前室温下导电速度最快、力学强度最大、导热能力最强的材料。其于2004年由英国科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫发现。石墨烯具有良好的优越性，应用面很广，在太阳能电池、传感器、纳米电子学、高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域均具有广泛的应用前景。目前已经研究出了许多石墨烯的制备方法，例如常见的有：加热SiC法；轻微摩擦法、撕胶带法以及化学分散法等等。此外，石墨烯也可以直接通过商购获得。

细菌纤维素(Bacterial cellulose，BC)是指在不同条件下，由醋酸菌属(Acetobacter)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、根瘤菌属(Rhizobium)和八叠球菌属(Sarcina)等中的某种微生物合成的纤维素的统称。细菌纤维素和植物或海藻产生的天然纤维素具有相同的分子结构单元，但细菌纤维素纤维却有许多独特的性质。这些性质包括：①细菌纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物，具有高结晶度(可达95％，植物纤维素的为65％)和高的聚合度(DP值2,000～8,000)；②超精细网状结构。细菌纤维素纤维是由直径3～4纳米的微纤组合成40～60纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构；③细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高；④细菌纤维素有很强的持水能力，未经干燥的细菌纤维素的WRV(water retention values)高达1,000％以上，冷冻干燥后的持水能力仍超过600％。经100℃干燥后的细菌纤维素在水中的再溶胀能力与棉短绒相当；⑤细菌纤维素有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性；⑥细菌纤维素生物合成时的可调控性。其已经被广泛应用于医用材料、食品、造纸等领域。细菌纤维素的制备方法可以分为静态培养和动态培养。静态培养得到的是薄膜状的细菌纤维素湿润产品；而动态培养得到的是小球状细菌纤维素湿润产品。

细菌纤维素材料虽然具有很多良好特性，但在机械性能和导电性能上还存在欠缺，影响了其应用的领域。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种细菌纤维素/石墨烯复合材料及其制备方法，其将石墨烯与细菌纤维素进行复合，在保持细菌纤维素原有特性的情况下有效地提高复合材料的机械性能和导电性能，具有良好的应用前景。

本发明所采用的技术方案：一种细菌纤维素/石墨烯复合材料，是由细菌纤维素和石墨烯复合而成。

所述细菌纤维素是静态或动态培养制得。

上述复合材料中，石墨烯微粒被包裹在细菌纤维素的网状纤维结构中。

本发明还提供一种上述细菌纤维素/石墨烯复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)制备湿润细菌纤维素产品；

(2)将石墨烯超微粉碎，放入溶剂中，快速搅拌制成均匀石墨烯分散液；

(3)将湿润细菌纤维素产品浸泡在石墨烯分散液中；

(4)浸泡结束后，取出细菌纤维素产品即得细菌纤维素/石墨烯复合材料。

上述方法中，步骤(1)中的细菌纤维素是静态或动态培养制得。

上述方法中，步骤(2)中的溶剂是水或乙醇。

上述方法中，步骤(2)中在快速搅拌的同时或之后进行超声波处理和/或加入助悬剂；

上述方法中，步骤(2)中石墨烯分散液中石墨烯的质量体积浓度为0.0001～0.02％；

上述方法中，步骤(3)中湿润细菌纤维素产品与石墨烯分散液的体积比为1∶2至1∶15；

上述方法中，步骤(3)的浸泡时间为2～24h；

上述方法中，步骤(3)中浸泡的同时或之后进行超声波处理。

上述方法中，还包括将获得的细菌纤维素/石墨烯复合材料进行清洗和/或干燥。

本发明还提供另一种细菌纤维素/石墨烯复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)制备湿润细菌纤维素产品，并将其打成均相悬浮浆液；

(2)将石墨烯超微粉碎，放入溶剂中，快速搅拌制成均匀石墨烯分散液；

(3)将细菌纤维素均相悬浮浆液与石墨烯分散液混合，快速搅拌制成均相混合液；

(4)将均相混合液过滤，分离出滤膜上形成复合薄膜材料。

上述方法中，步骤(1)中的细菌纤维素是静态培养或动态培养制得的。