[发明专利]一种自支撑的石墨烯水凝胶膜及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及水凝胶膜及其制备方法，尤其涉及一种自支撑的石墨烯水凝胶膜及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一层由碳原子以sp²杂化相连接而形成的二维材料。从2004年被英国的A. K. Geim (K. S. Novoselov, et al. Science, 2004, 306, 666-669)发现至今已引起科学和工业界广泛的关注。石墨烯水凝胶膜作为一种宏观的石墨烯组装体，在生物医药，电极材料领域具有很大的应用潜力。迄今为止，石墨烯水凝胶膜均通过石墨烯分散液的抽滤方法得到。这种方法受限于抽滤设备的大小而不能得到大面积的石墨烯水凝胶膜。另外，抽滤法制备出的石墨烯水凝胶膜均以其它膜材料为基底，在将其剥离的过程中会结构会遭到破坏。因此，如何快速高效的得到大面积的石墨烯水凝胶膜，对于其今后的应用至关重要。 2011年浙江大学的高超教授成功的利用氧化石墨烯的液晶相行为，石墨烯纺成纤维（Z. Xu, C. Gao, Nat. Comms., 2011, 2, 571），从而为石墨烯的材料制备开拓了一条新途径。因此，在这里我们首次利用氧化石墨烯的液晶相行为，将其连续化的纺成石墨烯水凝胶膜。所得到的石墨烯水凝胶膜具有高的柔韧性，含水率，导电性等优异性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术不足，提供一种自支撑的石墨烯水凝胶膜及其制备方法。

自支撑的石墨烯水凝胶膜的厚度为100nm到1000μm，含水量为0%到500%，导电率为10^-9 S/m到10⁷ S/m，拉伸强度为100Pa到500MPa。 

自支撑的石墨烯水凝胶膜的制备方法包括以下步骤：

1）将1重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超声分散后得到氧化石墨烯的水分散液；

2）将步骤1)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10～1000 mL/h的挤出速度在一字形模口的装置中挤出到凝固液中，停留1～100s凝固成氧化石墨烯水凝胶膜；

3）将1重量份的步骤2)得到的氧化石墨烯水凝胶膜用1～200重量份的还原剂，在60～120℃下进行化学还原1min～24h，用水清洗后得到自支撑的石墨烯水凝胶膜；或将1重量份的步骤2)得到的氧化石墨烯水凝胶膜置入到水热釜中120-250℃水热还原1-36h，用水清洗后得到自支撑的石墨烯水凝胶膜。

步骤2）中所述的一字形模口的装置为长方体结构，中间开有一个逐渐变窄的一字形模口。

步骤2）中所述的凝固液为氯化钙水溶液、氢氧化钠水溶液、硫酸钠水溶液、氯化钙水溶液、硝酸钠水溶液、硝酸钙水溶液、磷酸钠水溶液、氯化铵水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氢呋喃或乙酸乙酯中的一种或多种。

步骤3）中所述的还原剂为肼、甲基肼、苯肼、NaOH、KOH，氨水，氢碘酸、抗坏血酸、葡萄糖、硼氢化钠或氢醌的一种或多种。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

（1）工艺简单，成本较低；

（2）可实现连续化制备；

（3）制得的石墨烯水凝胶膜具有很好的导电性；

（4）制得的石墨烯水凝胶膜具有较高的强度和优异的柔韧性；

（5）可通过改变纺膜口的宽度和氧化石墨烯分散液的浓度来改变石墨烯水凝胶的厚度。

附图说明

图1为一字形模口的制备装置的剖面图；

图2为一字形模口的制备装置的主视图；

图3为一字形模口的制备装置的后视图；

图4为石墨烯水凝胶膜的电子照片。

具体实施方式

自支撑的石墨烯水凝胶膜的厚度为100nm到1000μm，含水量为0%到500%，导电率为10^-9 S/m到10⁷ S/m，拉伸强度为100Pa到500MPa。 

自支撑的石墨烯水凝胶膜的制备方法包括以下步骤：

1）将1重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超声分散后得到氧化石墨烯的水分散液；

2）将步骤1)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10～1000 mL/h的挤出速度在一字形模口的装置中挤出到凝固液中，停留1～100s凝固成氧化石墨烯水凝胶膜；