[发明专利]一种碳化细菌纤维素/碳纳米管膜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳化细菌纤维素/碳纳米管膜材料及其制备方法，该制备方法包括：1）制备羧基化碳纳米管纳米分散液；2）制备细菌纤维素/羧基化碳纳米管气凝胶；3）碳化处理，制备得到碳化细菌纤维素/碳纳米管膜。本发明不仅确保了碳化细菌纤维素/碳纳米管膜的完整性和良好的力学性能，而且拥有高的电导性。制备工艺简单，绿色环保，适合批量化生产。

技术领域

本发明属于导电材料制备技术领域，尤其涉及一种碳化细菌纤维素/碳纳米管膜材料及其制备方法。

背景技术

细菌纤维素已实现商业化生产，通过可规模化的高效生物发酵技术制备，由廉价的细菌对小分子糖、醇进行代谢合成，直接获得高纯度纤维素，并广泛应用于医用材料、食品、轻工及环保等行业。细菌纤维素具有高纯度、高结晶度、高聚合度、精细的网状结构、生物适应性和可降解性等特性，其中，细菌纤维素的三维多孔纳米纤维柔韧性网络和丰富的表面官能团，非常适合气凝胶、薄膜的制备和功能化。碳纳米管拥有良好的力学性能和高导电率(10⁶S/m)，热导率高于3000W/(mK)，与碳化细菌纤维素兼容性好。细菌纤维素气凝胶与高导电柔性碳纳米管能够达到纳米尺度复合，在其内部形成三维导电网络，且可大幅度提高复合材料的机械性能。将碳纳米管封装进碳化细菌纤维素的精细三维网络，可进一步提高碳三维网络的电导率、热导率和力学性能。因此，高导电性碳纳米管与碳化细菌纤维素网络的结合，为三维碳导电网络的设计提供新的思路。

目前，制备细菌纤维素/碳纳米管复合膜的方法主要分为四种：1)在碳纳米管的分散液中接入木醋杆菌，原位生长细菌纤维素，获得细菌纤维素/碳纳米管复合膜，该工艺制备过程复杂，周期长；2)通过三氟乙酸等溶剂溶解细菌纤维素，进一步与碳纳米管混合后静电纺丝形成细菌纤维素/碳纳米管复合膜，通常溶解细菌纤维素的溶剂毒性较大，对环境污染大；3)利用匀浆机或乳化机等物理手段处理块状细菌纤维素来制备其乳化液，进一步与碳纳米管混合，通过抽滤或沉积制备得到细菌纤维素/碳纳米管复合膜，该工艺破坏了细菌纤维素原始的三维网络结构；4)将块状细菌纤维素长时间浸泡在碳纳米管的分散液来制备细菌纤维素/碳纳米管复合膜，随着浸泡时间的增加，碳纳米管的含量增加，但是大部分碳纳米管沉积在细菌纤维素水凝胶表面，易于从表面剥落下来。此外，细菌纤维素是绝缘体，热解细菌纤维素制备得到碳化细菌纤维素能够进一步提高电导率。碳纳米管纳米尺度均一分散在细菌纤维素气凝胶中和适宜的热解碳化条件是构建热解细菌纤维素/碳纳米管复合膜的关键，关乎能否形成强健的三维导电网络。

发明内容

针对现有技术制备周期长、对环境有污染、破坏细菌纤维素的三维网络结构和碳纳米管易于表面剥落等缺点，本发明的目的是提供一种碳化细菌纤维素/碳纳米管膜材料，碳纳米管均一排列在碳膜中，具有质地均匀和导电率高等优点。本发明的另一目的是提供一种上述碳化细菌纤维素/碳纳米管膜材料的制备方法，生产工艺简单，环境友好，成本低廉，适合批量化生产。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种碳化细菌纤维素/碳纳米管膜材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将羧基化碳纳米管分散在具有表面活性剂的水溶液中，利用表面活性剂进行分散羧基化碳纳米管，再使用超声波细胞破碎仪对分散液破碎，得到羧基化碳纳米管纳米分散液；

2)用吸水材料吸取细菌纤维素水凝胶中的水分后，再将其浸泡在步骤1)的高稳定的羧基化碳纳米管纳米分散液中，重复操作，获得碳纳米管均一分散在细菌纤维素的黑色复合水凝胶，反复洗涤复合水凝胶，直到除去表面活性剂和水凝胶表面的碳纳米管团聚物，冷冻干燥，制备得到细菌纤维素/羧基化碳纳米管气凝胶；

3)将步骤2)中的细菌纤维素/羧基化碳纳米管气凝胶在惰性气氛或还原性气氛下进行碳化处理，制备得到碳化细菌纤维素/碳纳米管膜。

步骤1)中，碳纳米管为单壁/多壁碳纳米管，管径2～200nm，长度1～100μm。

步骤1)中，碳纳米管溶液质量分数为0.01％～10％。