技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種層層自組裝的氧化石墨烯復(fù)合薄膜的制備方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種二維平面單原子層厚度六方排列的碳原子所構(gòu)成的物質(zhì)，其具有高的電荷遷移率，高機(jī)械強(qiáng)度，高表面積等優(yōu)異的性能，在薄膜太陽(yáng)能電池、平板顯示電極、電容器、鋰電以及涂層機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)等方面有著廣泛的應(yīng)用。

石墨烯薄膜的制備方法中以氣相沉積法和氧化還原法最為常見(jiàn)，所得到的石墨烯薄膜具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及機(jī)械強(qiáng)度；目前石墨烯薄膜的應(yīng)用在復(fù)合薄膜方面相對(duì)廣泛，如氧化石墨烯和聚乙烯醇（PVA）等高分子聚合物復(fù)合以及與離子液體復(fù)合形成薄膜，這些都是氧化石墨烯復(fù)合薄膜的主要研究方向，但是還是拘泥于借助高分子材料本身良好的性能進(jìn)行共混制備，并沒(méi)有涉及利用少量的小分子形成共價(jià)鍵加強(qiáng)石墨烯層與層間的作用力這一點(diǎn)入手，而且這些復(fù)合形成的都是單層石墨烯復(fù)合薄膜，使得石墨烯薄膜良好的機(jī)械性能沒(méi)有得到充分的利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

解決的技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種層層自組裝的氧化石墨烯復(fù)合薄膜的制備方法，使得氧化石墨烯上的基團(tuán)與凝固液中的基團(tuán)自發(fā)形成共價(jià)鍵或離子鍵，迅速交聯(lián)自組裝，將原本自然堆積的石墨烯片層利用鍵能連在一起；所得層層自組裝氧化石墨烯復(fù)合薄膜具有高機(jī)械性能，且操作簡(jiǎn)單、成本低廉。

技術(shù)方案：一種層層自組裝的氧化石墨烯復(fù)合薄膜的制備方法，先將氧化石墨烯水分散液涂布到基底上，將帶有氧化石墨烯水分散液的基底浸入凝固液中，隨后取出基底進(jìn)行烘干，即可得到單層自組裝的氧化石墨烯復(fù)合薄膜；在附有復(fù)合薄膜的基底上涂布氧化石墨烯水溶液，重復(fù)浸入-烘干-涂布，即可得到多層自組裝的氧化石墨烯復(fù)合薄膜；

其中，氧化石墨烯水分散液是將氧化石墨烯超聲分散于蒸餾水中得到，所述凝固液的溶質(zhì)為離子液體、胺類或無(wú)機(jī)鹽中的一種。

進(jìn)一步地，所述氧化石墨烯水分散液的濃度為1～15mg/mL。

進(jìn)一步地，所述基底為玻璃、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或硅中的一種。

進(jìn)一步地，所述凝固液的濃度為0.1～20mg/mL。

進(jìn)一步地，所述凝固液的溶劑為水、烷烴、醇或鹵化烴中的一種。

進(jìn)一步地，所述離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑（L）乳酸鹽、1，2-乙二胺三氟甲磺酸鹽或1，2-乙二胺硝酸鹽中的一種。

進(jìn)一步地，所述胺類為氨水、對(duì)苯二胺、聯(lián)苯二胺、1,2-乙二胺、1，4-丁二胺、1，6-己二胺或1,8-辛二胺中的一種。

進(jìn)一步地，所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鈣或氯化鐵中的一種。

進(jìn)一步地，所述烘干溫度為25℃。

有益效果：

1. 本發(fā)明的制備方法先將氧化石墨烯涂布成膜，再將帶有氧化石墨烯的基底浸入凝固液中，此過(guò)程使得氧化石墨烯上的基團(tuán)與凝固液中的基團(tuán)自發(fā)形成共價(jià)鍵或離子鍵，迅速交聯(lián)自組裝，將原本自然堆積的石墨烯片層利用鍵能連在一起，得到高性能薄膜，而重復(fù)過(guò)程使得薄膜的性能與厚度可控，該操作簡(jiǎn)單、成本低廉，獲得產(chǎn)品性能優(yōu)異，并且可以實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)；

2. 本發(fā)明的制備方法采用超聲分散氧化石墨烯，使氧化石墨烯溶液分散均勻，通過(guò)進(jìn)一步確定氧化石墨烯的濃度及凝固液的濃度，制備出性能優(yōu)異的層層自組裝的氧化石墨烯復(fù)合薄膜產(chǎn)品；

3. 本發(fā)明的層層自組裝氧化石墨烯復(fù)合薄膜具有高機(jī)械性能，相比于現(xiàn)有的氧化石墨烯薄膜，在抗拉強(qiáng)度和彈性模量方面顯著的提升。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1中的操作流程圖；

圖2為實(shí)施例1的雙層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的紅外譜圖；

圖3為實(shí)施例1的雙層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的力學(xué)性能測(cè)試圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

本實(shí)施例以1,8-辛二胺作凝固液溶質(zhì)制備復(fù)合薄膜，如圖1所示的層層自組裝的氧化石墨烯復(fù)合薄膜制備的流程圖，制備過(guò)程如下：

配備氧化石墨烯溶液：氧化石墨烯是以石墨為原料，采用傳統(tǒng)的hummers方法或改進(jìn)的hummers方法制得；將200mg凍干的GO粉末，溶解到40mL蒸餾水中，超聲分散1h，使之充分分散，形成5mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

配備凝固液：取5mg的1,8-辛二胺溶解到50mL蒸餾水中，超聲分散10min，使之充分分散，形成0.1mg/mL的凝固液；

將上述氧化石墨烯水溶液涂布到基底上，其中基底材料為60mm*30mm*2mm的玻璃基底，將帶有氧化石墨烯水溶液的玻璃基底浸入到凝固液中，使之反應(yīng)10min，取出基底，室溫烘干10h，再將基底上涂布一層氧化石墨烯水溶液，重復(fù)浸入-烘干-涂布的過(guò)程，即得到雙層氧化石墨烯復(fù)合薄膜。

圖2為氧化石墨烯（GO ）與雙層氧化石墨烯復(fù)合薄膜（GO/1-8辛二胺）的紅外光譜圖，圖中可以看出雙側(cè)氧化石墨烯復(fù)合薄膜（GO/1，8-辛二胺）相對(duì)于氧化石墨烯（GO）在約1400處出現(xiàn)了一個(gè)C-N鍵，說(shuō)明有1，8-辛二胺與氧化石墨烯結(jié)合，即說(shuō)明氧化石墨烯與1,8-辛二胺已經(jīng)發(fā)生反應(yīng)，層層自組裝復(fù)合成功，達(dá)到了交聯(lián)作用。

圖3為氧化石墨烯薄膜（GO）、雙層氧化石墨烯復(fù)合薄膜（GO/1,8-辛二胺）的機(jī)械性能對(duì)比圖，從圖中可以看出，復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了約127Mpa、斷裂伸長(zhǎng)率約為3.6%，而氧化石墨烯薄膜的抗拉強(qiáng)度約為62.2Mpa、斷裂伸長(zhǎng)率為3.2%，復(fù)合薄膜相對(duì)于氧化石墨烯薄膜的力學(xué)性能有了巨大的提升。

實(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于凝固液1,8-辛二胺的溶劑為乙醇，其他條件相同，制備過(guò)程如下：

配備氧化石墨烯溶液：氧化石墨烯是以石墨為原料，采用傳統(tǒng)的hummers方法或改進(jìn)的hummers方法制得；將200mg凍干的GO粉末，溶解到40mL蒸餾水中，超聲分散1h，使之充分分散，形成5mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

配備凝固液：取5mg的1,8-辛二胺溶解到50mL乙醇中，超聲分散10min，使之充分分散，形成0.1mg/mL的凝固液；

將上述氧化石墨烯水溶液涂布到基底上，其中基底材料為60mm*30mm*2mm的玻璃基底，將帶有氧化石墨烯水溶液的玻璃基底浸入到凝固液中，使之反應(yīng)10min，取出基底，室溫烘干10h，再將基底上涂布一層氧化石墨烯水溶液，重復(fù)浸入-烘干-涂布的過(guò)程，即得到雙層氧化石墨烯復(fù)合薄膜。

經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試，所得雙層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了117.6MPa，雙層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度較氧化石墨烯薄膜有了良好的提升。

實(shí)施例3

本實(shí)施例以1,2-乙二胺為凝固液溶質(zhì)，如圖1所示的層層自組裝的氧化石墨烯復(fù)合薄膜制備的流程圖，制備過(guò)程如下：

配備氧化石墨烯溶液：其中，氧化石墨烯是以石墨為原料，采用傳統(tǒng)的hummers方法或改進(jìn)的hummers方法制得；將200mg凍干的GO粉末，溶解到40mL蒸餾水中，超聲分散1h，使之充分分散，形成5mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

配備凝固液：取5mg的1,2-乙二胺溶解到50mL蒸餾水中，超聲分散10min，使之充分分散，形成0.1mg/mL的凝固液；

將上述氧化石墨烯水溶液涂布到基底上，其中基底材料為60mm*30mm*2mm的玻璃基底，將帶有氧化石墨烯水溶液的玻璃基底浸入到凝固液中，使之反應(yīng)10min，取出基底，室溫烘干10h，再將基底上涂布一層氧化石墨烯水溶液，重復(fù)浸入-烘干-涂布的過(guò)程，即得到多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜。

經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試，所得多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了117.6MPa，多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度較氧化石墨烯薄膜有了良好的提升。

實(shí)施例4

本實(shí)施例以聯(lián)苯二胺為凝固液溶質(zhì)，如圖1所示的層層自組裝的氧化石墨烯復(fù)合薄膜制備的流程圖，制備過(guò)程如下：

配備氧化石墨烯溶液：氧化石墨烯是以石墨為原料，采用傳統(tǒng)的hummers方法或改進(jìn)的hummers方法制得；將200mg凍干的GO粉末，溶解到40mL蒸餾水中，超聲分散1h，使之充分分散，形成5mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

配備凝固液：取5mg的聯(lián)苯二胺溶解到50mL蒸餾水中，超聲分散10min，使之充分分散，形成0. 1mg/mL的凝固液；

將上述氧化石墨烯水溶液涂布到基底上，其中基底材料為60mm*30mm*2mm的玻璃基底，將帶有氧化石墨烯水溶液的玻璃基底浸入到凝固液中，使之反應(yīng)10min，取出基底，室溫烘干10h，再將基底上涂布一層氧化石墨烯水溶液，重復(fù)浸入-烘干-涂布的過(guò)程。即得到多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜。

經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試，所得多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了141.5 MPa，多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度較氧化石墨烯薄膜有了良好的提升。

實(shí)施例5

配備氧化石墨烯溶液：氧化石墨烯是以石墨為原料，采用傳統(tǒng)的hummers方法或改進(jìn)的hummers方法制得；將200mg凍干的GO粉末，溶解到200mL蒸餾水中，超聲分散1h，使之充分分散，形成1mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

配備凝固液：取10mg的聯(lián)苯二胺溶解到50mL蒸餾水中，超聲分散10min，使之充分分散，形成0.2mg/mL的凝固液；

將上述氧化石墨烯水溶液涂布到基底上，其中基底材料為60mm*30mm*2mm的玻璃基底，將帶有氧化石墨烯水溶液的玻璃基底浸入到凝固液中，使之反應(yīng)10min，取出基底，室溫烘干10h，再將基底上涂布一層氧化石墨烯水溶液，重復(fù)浸入-烘干-涂布的過(guò)程，即得到多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜。

經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試，所得多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了131.7Mpa，多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度較氧化石墨烯薄膜有了良好的提升。

實(shí)施例6

配備氧化石墨烯溶液：氧化石墨烯是以石墨為原料，采用傳統(tǒng)的hummers方法或改進(jìn)的hummers方法制得；將200mg凍干的GO粉末，溶解到100mL蒸餾水中，超聲分散1h，使之充分分散，形成2mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

配備凝固液：取10mg的聯(lián)苯二胺溶解到50mL蒸餾水中，超聲分散10min，使之充分分散，形成0.2mg/mL的凝固液；

將上述氧化石墨烯水溶液涂布到基底上，其中基底材料為60mm*30mm*2mm的玻璃基底，將帶有氧化石墨烯水溶液的玻璃基底浸入到凝固液中，使之反應(yīng)10min，取出基底，室溫烘干10h，再將基底上涂布一層氧化石墨烯水溶液，重復(fù)浸入-烘干-涂布的過(guò)程，即得到多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜。

力學(xué)性能測(cè)試：所得多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了130.1Mpa，多層氧化石墨烯復(fù)合薄膜的抗拉強(qiáng)度較氧化石墨烯薄膜有了良好的提升。

顯然，上述實(shí)施例僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。