[发明专利]一种高强高韧高导电性石墨烯膜及其制备方法

说明书

本发明属于精细化工技术领域，具体涉及一种高强高韧高导电性石墨烯膜及其制备方法。本发明方法包括：将少量稀土金属离子、高分子和氧化石墨烯混合配制成均匀的水溶胶，浇铸风干成膜后，先后经过还原、清洗、干燥步骤得到石墨烯膜。本发明同时构建三种相互作用，包括氧化石墨烯与稀土离子之间的配位键、氧化石墨烯与高分子之间的氢键、氧化石墨烯与高分子之间的π‑π作用，使得所制备的改性石墨烯膜同时具有高强度、高韧性及良好的导电性。本发明方法原料便宜、操作简单，适合大量生产，具有良好的工业化生产基础和广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于精细化工技术领域，具体涉及一种高强高韧导电石墨烯薄膜及其制备方法。

背景技术

石墨烯具有比表面积大、质量轻、强度高、导电率高等优异性能。将石墨烯纳米片组装成二维的石墨烯薄膜成功实现了石墨烯在宏观尺度上的应用。到目前为止，研究人员已经开发出多种功能性的石墨烯膜，并初步应用于导热材料、分离膜、电极材料和电子显示等领域。

在石墨烯膜的开发中，提高其机械性能是一个重要话题。研究人员通过引入高分子构建共价键交联石墨烯纳米片，可以显著提高石墨烯膜的强度和模量(Y. Tian, Y. W.Cao, Y. Wang, W. L. Yang and J. C. Feng, Adv.Mater. 2013, 25, 2980; Y. Xu, H.Bai, G. Lu, C. Li and G. Shi, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5856)。可是，这类强共价键往往导致石墨烯薄的断裂伸长率降低，最终导致材料的断裂韧性较差。对于多数应用，材料的韧性是一个及其重要的指标，因此制备刚韧平衡的石墨烯膜在实际应用中尤为重要。最近，研究人员在石墨烯膜中引入柔性高分子链，除了强共价键之外，高分子与石墨烯纳米片之间还可以形成较弱的界面作用，如氢键，通过这种弱界面作用和柔性高分子的调节，在不过多牺牲强度的前提下，可以大大提高石墨烯膜的韧性(W. Cui, M. Z. Li, J.Y. Liu, B. Wang, C. Zhang, L. Jiang and Q. F. Cheng, ACS Nano 2014, 8, 9511)；甚至在没有共价键的情况下，只通过两种弱的界面作用如氢键和π-π作用的协同作用，就可以实现石墨烯膜的高强度和高韧性(M. Zhang, L. Huang, J. Chen, C. Li and G. Shi,Adv.Mater. 2014, 26, 7588)。这些研究表明，调节石墨烯膜中的界面作用是决定其最终机械性能的关键。

配位键是一种较弱的化学键，其强度范围一般介于弱的氢键、范德华力和强的共价键之间。配位键也逐渐被尝试应用于石墨烯材料中，如交联石墨烯气凝胶和水凝胶等，可以有效提高材料的机械性能。而且，通常构建石墨烯和高分子之间的配位键比构建共价键更简单快捷。因此，本发明在制备石墨烯薄膜的过程中同时构建配位键和其他弱键，在各种因素的协同作用下，制备得高强度高韧性石墨烯膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单，制备高强度高韧性高导电石墨烯膜的方法。

本发明提供的高强高韧高导电石墨烯膜的制备方法，具体步骤如下：

（1）将少量稀土金属离子、水溶性高分子和氧化石墨烯(GO)混合，得到均匀的悬浮液或水溶胶；这里引入稀土金属离子及含有能与稀土进行配位基团的水溶性高分子，可以在体系中同时构建多种相互作用，包括配位键、氢键和π-π作用；

（2）将上述悬浮液或水溶胶浇铸或过滤，然后干燥，得到GO基的薄膜；

（3）上述GO基薄膜经过还原、清洗、干燥，得到高强度高韧性高导电性石墨烯膜。

上述步骤（1）中，所述稀土金属离子可以是稀土元素中的任意一种或多种；所述高分子通常是含有羧基、羟基、邻菲罗啉等配体基团的水溶性高分子，如邻菲罗啉接枝的聚丙烯酸(PAAP)等水溶性高分子。