[发明专利]一种石墨烯/高分子乳液复合薄膜材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物纳米复合材料的制备领域，具体涉及一种石墨烯／高分子乳液复合薄膜材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状碳材料。石墨烯具有传统导电填料所不可比拟的电学性质(电导率高达10⁶S/cm)、热学性质(热导率为3000-5000J／m·K·s)、力学性质(强度为110-130GPa、弹性模量为1.0TPa)及光学性质(透光率可达到97.7％)；石墨烯既可以优化改善聚合物原有的性质，又可以成为复合材料中的功能性组分，已经成为催化、高强度材料、电子、能源转换和储存、生物技术、生化传感器等领域的研究热点，具有广阔的应用前景。

电化学沉积法是一种绿色环保、操作简便的方法，可以通过在一定范围内任意地或连续地改变电场的强度和方向，调控电极反应的活化能和反应速度，进而调控产物性质，具有广阔工业化应用的前景；但是将该方法应用于石墨烯复合材料合成领域所进行的研究还远远不够。Wang等人采用电沉积聚合法合成了石墨烯／聚苯胺复合材料，具有良好的拉伸性能和电化学性能，该材料适用于超级电容器电极(Wang D W，et al.ACS NANO，v3，2009，1745-1752)。Feng等人进一步提出了要将该方法广泛应用在石墨烯基纳米复合材料领域的观点，并采用一步电化学沉积的方法大规模制备了石墨烯基聚合物复合薄膜材料，该薄膜具有高电导率和良好的生物相容性(Feng X M，et al.Adv.Funct.Mater.V21，2011，2989-2996)。Gao等人也采用类似的电沉积法将化学还原氧化石墨烯和聚苯胺纳米纤维复合成层状(layer-by-layer)复合材料(Gao Z，et al.Electrochiaica Acta，v91，2013，185-194)。Chen等人采用两步连续的电化学沉积步骤制备出3D多孔的石墨烯基纳米复合材料，他们首先以电化学还原的还原氧化石墨烯为复合材料的导电骨架，然后再将聚合物均匀的填充在该骨架中。该复合多孔材料展现了优异的电化学性能，有望在超级电容器、锂 离子电池、燃料电池、电化学传感器等领域得到应用(Chen K W，et a1.Journal of Materials Chemistry，v22，2012，20968-20976)。

目前在制备石墨烯／聚合物纳米复合材料领域已经取得了许多重要的研究成果。Stankovich等采用溶液共混法制得了导电逾渗值低，电导率高的石墨烯／苯乙烯纳米复合材料(Stankovich S，et al.Nature，2006，v442，282～286)。Zhang等利用熔融共混法制备出了具有良好导电性的石墨烯／聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料(Zhang H B，et al.Polymer，2010，v51，1191-1196)。Park等人通过原位聚合法将苯基功能化的石墨烯与聚酰亚胺复合制得具有极好的热稳定性、导电性和阻抗随拉应力变化的复合材料(Park O K，et al.Nano Letters，v12，2012，1789-1793)。以上这些方法虽然能制备出性能较好石墨烯／聚合物纳米复合材料，但是都存在一些缺点。如溶液共混法需要大量的溶剂，成本高，环境污染严重；熔融共混法所制备的纳米复合材料中，石墨烯分散性较差；原位聚合法操作复杂，而且石墨烯的存在会改变聚合动力学，聚合物的分子量也会降低。因此，探究利用电化学沉积法制备绿色、低成本和反应可控的石墨烯／高分子乳液复合薄膜材料是一个十分有价值的研究课题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种石墨烯／高分子乳液复合薄膜材料的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种石墨烯／高分子乳液复合薄膜材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

制备氧化石墨烯水溶胶：将氧化石墨烯加入水中，超声分散2～3小时，制得质量浓度为0.1～1mg/ml的单片层分散均匀的氧化石墨烯水溶胶；

制备还原氧化石墨烯水溶胶：将表面活性剂加入步骤(1)制备的氧化石墨烯水溶胶中，表面活性剂与氧化石墨烯水溶胶的质量比为1：(100～1000)，采用磁力搅拌，转速100转／分钟～500转／分钟，搅拌10～30分钟至混合均匀，超声分散1小时；再加入还原剂，还原剂与氧化石墨烯水溶胶的体积比为1：(10～1000)，超声分散2～3小时，制得具有稳定分散性的黑色还原氧化石墨烯水溶胶，其中还原氧化石墨烯以单层或几层的状态存在；