[发明专利]气-液界面自组装制备石墨烯-聚合物复合透明薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气-液界面自组装制备石墨烯-聚合物复合透明薄膜的方法，属于石墨烯的有机物复合膜技术领域。

背景技术

石墨烯在2004年被英国曼彻斯特大学的研究组发现(K.S.Novoselov，A.K.Geim，S.V.Morozov，et al.Science，306，666(2004))，是准二维碳质纳米材料，也是构筑如零维的富勒烯、一维的碳纳米管、三维的体相石墨等其他维度碳质材料的基本单元。石墨烯优异的物理及化学性质使其备受各个领域科学工作者的广泛关注，并具有非常广阔的应用前景，是目前碳质材料界的研究热点之一。薄膜状材料是石墨烯应用于宏观场合的重要形态。其在超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、光学锁模器件、透明导电膜和导热膜等方面具有广泛的应用前景。

目前，石墨烯基薄膜的制备方法目前主要是基于依靠化学法从石墨晶体或氧化石墨制得的石墨烯片层的二维组装。如过滤法、电泳沉积法、化学气相沉积法、含碳单晶外延法、Langmuir-Blodgett自组装成膜法等。在前期工作中，我们课题组与合作小组发明了气-液界面自组装方法，由化学方法获得的氧化石墨水溶胶出发，在气-液界面上自组装形成无支撑的氧化石墨烯薄膜(Chen C M，Yang QH，Yang Y G，et al.Adv.Mater.2009，21，3007-3011)，在此基础上成功制备出导电性能可调的石墨烯薄膜(中国专利申请号200910069047.2)。与其它方法相比，这种完全基于自组装的制备方法成膜速度快，工艺条件简单，膜的质地均匀，厚度、大小尺寸可控。

但是氧化石墨烯由于其含氧官能团的存在，使其光学、电学及热学性能远不及石墨烯，限制了其实际应用领域。而石墨烯薄膜强度较小，限制其在实际应用中的适应性。因此，制备高强度的石墨烯薄膜是石墨烯获得广泛应用的有效方法，而与高分子材料复合得到的柔性复合膜是实现其的一个重要途径。

而与聚乙烯醇等水溶性高分子聚合物的复合膜就是其中一种重要的复合形式。聚乙烯醇(简称PVA)外观为白色粉末，无毒无味、无污染，可在80--90℃水中溶解，是一种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物，性能介于塑料和橡胶之间。由于PVA具有独特的强力粘接性、皮膜柔韧性、平滑性、耐油性、耐溶剂性、保护胶体性、气体阻绝性、耐磨性以及经特殊处理具有的耐水性，因此应用范围遍及纺织、食品、医药、建筑、木材加工、造纸、印刷、农业、钢铁、高分子化工等行业。其水溶液有很好的粘接性和成膜性，具有长链多元醇酯化、醚化、缩醛化等化学性质，可作为石墨烯在水中的一种良好分散剂。其与石墨烯共同成膜，可提高膜材料的力学、光学等性能。Yang等(Polymer，51(2010)，3431-3435)将氧化石墨与PVA混合，通过两步法得到均匀的石墨烯-PVA薄膜，其具有很好的机械性能。Vadahanambi Sridhar等(Joumal of Colloid and Interface Science，348(2010)，1095-7103)将PVA溶液加入热还原的氧化石墨烯中，加热至45-50℃，得到体相石墨纸。但是这种方法得到的并非严格意义上的石墨烯-PVA膜，只是具有层状结构的体相材料。上述两篇文章的制备方法均是由氧化石墨烯出发，以还原氧化石墨与PVA成膜，这样氧化石墨的还原程度和质量对于最后成膜的情况有一定影响。石墨烯-PVA复合膜在光学等方面也有着广泛的应用。Zhipei Sun等(ACSNano，4(2010)，803-810)将石墨烯-PVA薄膜用于光纤激光器中得到了锁模激光。

发明内容

本发明的目的是提供一种气-液界面自组装制备石墨烯-聚合物复合透明薄膜的方法。该方法过程简单，以此方法制的石墨烯-聚合物复合透明薄膜具有良好的光学性质，且该石墨烯-聚合物复合透明薄膜的厚度及透光性可控。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种气-液界面自组装制备石墨烯-聚合物复合透明薄膜的方法，其特征在包括以下过程：

1.将聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、或聚丙烯酸(PAA)聚合物加入去离子水中，配制成浓度为0.1-30mg/mL的聚合物水溶液；按石墨烯与聚合物的质量比为1∶(0.1-50)，将石墨烯粉体加入聚合物水溶液进行混合，并以超声功率为20-300W进行超声振荡0.5-10h，得到石墨烯-聚合物均相溶液。

2.将步骤1制的石墨烯-聚合物均相溶液移入到水浴中，在水浴温度为20-90℃，静置0.5-5h后，将液面上形成的一层薄膜取出，自然晾干或烘干，获得石墨烯-聚合物复合透明薄膜。