[发明专利]一种石墨烯-纤维素导电复合薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯‑纤维素导电复合薄膜的制备方法。本发明采用的方法是将含NaOH和尿素的组合水溶液在一定的温度条件下溶解纤维素，随后再加入氧化石墨烯进行制备分散的纤维素‑氧化石墨烯溶液，最后将混合溶液流延成膜，得到纤维素/氧化石墨稀水凝胶，将该水凝胶浸入还原剂溶液原位还原，干燥后即得到石墨烯‑纤维素复合材料。本发明工艺过程简单，操作方便，对环境无污染，在电学和智能响应材料等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种原位还原制备石墨烯-纤维素复合材料的方法，尤其是涉及一种再生纤维素功能掺杂改性薄膜的制备方法，该薄膜产品可在柔性电极、可穿戴电子设备和智能响应材料等领域大规模应用。

背景技术

与合成高分子相比，纤维素等天然高分子还具有可完全生物降解、无毒、无污染、易于改性、生物相容性好、可再生等优势，被认为是未来世界能源、化工的主要原料。长期以来，纤维素用于纺丝、制膜、生产无纺布和制备各种纤维素衍生物等，已被应用在我们日常生活的方方面面。近年来，具有催化、能源存储、电磁响应、荧光发光和导电性等特殊功能的纤维素纳米复合材料，越来越引起国内外科学家的关注，出现了一系列高附加值的纤维素功能材料。其中，基于纤维素和纳米碳材料(主要是碳纳米管和石墨烯)的功能材料，具有良好的导电性以及电化学响应性，在抗静电材料、超级电容器、传感器、锂离子电池电极、导电材料、多孔材料及生物医用材料等领域有着广泛的应用前景，成为目前纤维素先进功能材料的研究热点。

而对于石墨烯-纤维素导电复合薄膜的制备，目前只有极少数文献报道，如通过石墨烯与纤维素微纤悬浮液直接共混制备石墨烯-纤维素复合纸；通过纤维素特殊溶剂LiCl/DMAc和ILs溶解制备纤维素/石墨烯复合材料等。这些材料具有良好的机械性能和导电性能，阻气性能也得到增强。由于石墨烯相对于碳纳米管更易团聚，难以直接分散于普通溶剂中，石墨烯-纤维素复合材料一般通过间接方法，即还原氧化石墨烯来制备。氧化石墨烯(Graphite oxide，GO)是一种性能优异的新型碳材料，由石墨经强酸氧化(如Hummers法)制得，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团(羧酸基、酚羟基和环氧基团)。因此，氧化石墨烯能稳定分散于水和极性有机溶剂中，与高分子也具有良好的相容性。作为高分子填充材料，氧化石墨烯的增强效果较石墨烯更好。据报道，通过溶液共混的方法，可制备力学性能和热稳定性优异的纤维素/氧化石墨烯复合材料。但由于共轭网络受到严重的官能化影响，氧化石墨烯薄片具有绝缘的特质，这限制了氧化石墨烯的进一步应用。氧化石墨烯还可以通过还原得到的石墨烯，虽然该产物具有较多的缺陷，导致其导电性不如原始的石墨烯，但该氧化-剥离-还原的制程可有效地让不可溶的石墨粉末在水中变得可加工，提供规模化制备石墨烯的途径。因此，如果在制备高分子/氧化石墨烯复合材料的过程中，原位还原氧化石墨烯，不仅可以得到导电性的复合材料，还可以有效分散纳米材料，避免石墨烯的大量团聚。然而，对于还原法制备导电性石墨烯-纤维素复合材料，如何有效原位还原氧化石墨烯，同时保持材料的相关性能如力学性能不受影响，则是一个新的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯-纤维素导电复合薄膜的制备方法，该方法工艺过程简单环保、反应条件相对温和、不涉及有毒有害物质，易于工业化。

本发明专利的技术原理在于通过改变纤维素的结晶结构，将易于分散的氧化石墨烯进行加载，使得二者可以成为一个均匀复合体，再采用还原的方式来生成石墨烯，从而避免了石墨烯分散困难的问题。

本发明专利的目的通过如下技术方案实现：

(1)纤维素溶液的制备：将质量分数为2％-18％的NaOH和2％-18％的尿素的混合水溶液冷冻到温度为-20℃--1℃，缓慢加入纤维素粉末，采用搅拌机匀速搅拌均匀得到纤维素溶液，搅拌速度为60r/min-600r/min；