一種石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠及其制備方法和應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于高分子復(fù)合導(dǎo)電材料領(lǐng)域，公開了一種石墨烯?納米纖維素?聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠及其制備方法和應(yīng)用。該凝膠采用下列方法制備得到的：a.制備石墨烯分散液；b.制備納米纖維素懸浮液；c.石墨烯分散液與納米纖維素懸浮液混合，加入聚乙烯醇水溶液，加入交聯(lián)劑，攪拌直至形成凝膠，即得。該水凝膠可用于制備柔性導(dǎo)電材料，具有較好的應(yīng)用前景。

A graphene nano cellulose PVA composite conductive gel and preparation method and application thereof

The invention belongs to the field of polymer composite conductive material, discloses a graphene nano cellulose PVA composite conductive gel and preparation method and application thereof. The gel was prepared by the method of A.: preparation of graphene dispersion; preparation of B. nano cellulose suspension; C. graphene dispersion and nano cellulose suspension mixed with polyvinyl alcohol aqueous solution, adding cross-linking agent, stirring until the formation of the gel. The hydrogel can be used for preparing flexible conductive material and has a good application prospect.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠及其制備方法和應(yīng)用
本專利技術(shù)涉及一種石墨烯納米纖維素聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠的制備方法。屬于高分子復(fù)合導(dǎo)電材料領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
聚乙烯醇(PVA)水凝膠是親水性聚乙烯醇大分子經(jīng)交聯(lián)后形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的水溶脹體。PVA分子鏈上有許多羥基很容易形成氫鍵，因此PVA水凝膠具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、易于成型、良好的生物相容性、無毒無害，這些特性使PVA水凝膠可以用作傷口敷料、藥物釋放載體、組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。為了改善PVA水凝膠的力學(xué)性能以及拓展應(yīng)用領(lǐng)域，常把PVA水凝膠與其它材料進(jìn)行復(fù)合。PVA水凝膠加入納米纖維素來增強(qiáng)力學(xué)性能，PVA水凝膠加入導(dǎo)電材料(聚苯胺、聚吡咯、石墨烯、碳納米管等)形成導(dǎo)電凝膠。石墨烯(GNS)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。GNS的熱導(dǎo)率可達(dá)5×103W·m-1·K-1，是金剛石的3倍。GNS是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，GNS的強(qiáng)度可達(dá)130Gpa.是鋼100多倍；其載流子遷移率達(dá)1.5×104cm2·V-1·s-1，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的2倍,超過商用硅片遷移率的10倍,在特定條件下(如低溫驟冷等)，其遷移率甚至可高達(dá)2.5×105cm2·V-1·s-1；而電阻率只約10-6Ω，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子遷移的速度極快，因此被期待用來開發(fā)新一代顯示屏、傳感器、超級電容器等。纖維素是自然界里儲量最豐富的可再生高分子生物，它在地球上每年的產(chǎn)量可以達(dá)到750億噸。納米纖維素(CNF)纖維長度為10-1000nm，橫截面尺寸只有5～20nm。軸向楊氏模量在110到220GPa之間，橫向楊氏模量約為10至50GPa，抗拉強(qiáng)度約為7.6GPa，而密度僅為1.6g/cm-3，是一種高強(qiáng)度的輕質(zhì)納米材料。因此，非常適合作為水凝膠的力學(xué)增強(qiáng)相。導(dǎo)電水凝膠不僅擁有一般水凝膠的高含水率及生物相容性，還由于導(dǎo)電物質(zhì)的加入增強(qiáng)了其導(dǎo)電性及機(jī)械強(qiáng)度，在兼具傳統(tǒng)水凝膠優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，良好的導(dǎo)電性使其具有更高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。比如在保持固相尺寸穩(wěn)定性的前提下，根據(jù)不同的電導(dǎo)率特點(diǎn)，其能應(yīng)用在導(dǎo)電薄膜，涂層，電化促動(dòng)器，傳感器，化學(xué)閥，生物材料和人造肌肉等諸多方面。目前市場上還沒有具有較好力學(xué)性能及導(dǎo)電性能的石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠。本專利技術(shù)的另一個(gè)目的是提供上述復(fù)合導(dǎo)電凝膠的制備方法。本專利技術(shù)還有一個(gè)目的是提供上述復(fù)合導(dǎo)電凝膠在制備柔性導(dǎo)電材料中的應(yīng)用。本專利技術(shù)的目的是通過下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠，該凝膠采用下列方法制備得到的：a.制備石墨烯分散液；b.制備納米纖維素懸浮液；c.石墨烯分散液與納米纖維素懸浮液混合，加入到聚乙烯醇水溶液中，加入交聯(lián)劑，攪拌直至形成凝膠，即得石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠。所述的復(fù)合導(dǎo)電凝膠，其中步驟a中石墨烯分散液的制備方法包括以下步驟：(1)秤取1-4g聚乙烯吡咯烷酮粉末，加入100-500g乙醇中，攪拌溶解，作為石墨烯分散劑；(2)取1-4g石墨烯粉末加入上述溶液中，在300-700w的功率下超聲分散5-10分鐘。制得石墨烯乙醇分散液，保存?zhèn)溆茫黄渲校﹥?yōu)選為多層石墨烯或少層石墨烯，純度大于85％。石墨烯分散液的制備需要經(jīng)過超聲處理，超聲時(shí)間，超聲功率，對石墨烯的分散程度有影響，對最終產(chǎn)物的電導(dǎo)率也會有影響。所述的復(fù)合導(dǎo)電凝膠，其中步驟b中納米纖維素懸浮液是以粉碎的脫脂棉為原料，經(jīng)過硫酸的酸水解才能制得，具體制備方法包括以下步驟：(1)取10～20g粉碎的脫脂棉加入100～500g質(zhì)量分?jǐn)?shù)30～50％的硫酸中，在40～50℃下磁力攪拌酸水解30～120分鐘；(2)加入去離子水終止酸解反應(yīng)，將所得混合物用去離子水在室溫下反復(fù)漂洗6-12小時(shí)后轉(zhuǎn)移至透析袋中透析3-5天至pH值中性；(3)取上述混合物，加水稀釋，在500～1000w功率下超聲粉碎50～150分鐘，即制備出納米纖維素懸浮液。調(diào)節(jié)納米纖維素濃度至1.0-2.0％，冷藏備用。所述的復(fù)合導(dǎo)電凝膠，其中步驟c中石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠的制備方法包括以下步驟：(1)取1-10g聚乙烯醇粉末加入100-500ml去離子水，70-90℃加熱攪拌，至聚乙烯醇完全溶解形成均一透明的溶液；其中，聚乙烯醇優(yōu)選分子量14-20萬，醇解度大于99％。(2)取石墨烯分散液和納米纖維素懸浮液，加入聚乙烯醇水溶液中，70-90℃機(jī)械攪拌，加入1-5g交聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌直至形成凝膠，即制成石墨烯納米纖維素聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠；其中，交聯(lián)劑優(yōu)選硼酸鹽或戊二醛，石墨烯含量占固體組分中質(zhì)量百分比為1～10％，納米纖維素含量占固體組分中質(zhì)量百分比為1～2％。所述石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠的制備方法，該方法包括下列步驟：a.制備石墨烯分散液；b.制備納米纖維素懸浮液；c.石墨烯分散液與納米纖維素懸浮液混合，加入到聚乙烯醇水溶液中，加入交聯(lián)劑，攪拌直至形成凝膠，即得石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠。所述的方法，其中步驟a中石墨烯分散液的制備方法包括以下步驟：(1)秤取1-4g聚乙烯吡咯烷酮粉末，加入100-500g乙醇中，攪拌溶解，作為石墨烯分散劑；(2)取1-4g石墨烯粉末加入上述溶液中，在300-700w的功率下超聲分散5-10分鐘。制得石墨烯乙醇分散液，保存?zhèn)溆茫黄渲校﹥?yōu)選為多層石墨烯或少層石墨烯，純度大于85％。所述的方法，其中步驟b中納米纖維素懸浮液的制備方法包括以下步驟：(1)取10～20g粉碎的脫脂棉加入100～500g質(zhì)量分?jǐn)?shù)30～50％的硫酸中，在40～50℃下磁力攪拌酸水解30～120分鐘；(2)加入去離子水終止酸解反應(yīng)，將所得混合物用去離子水反復(fù)漂洗后轉(zhuǎn)移至透析袋中透析3-5天至pH值中性；(3)取上述混合物，加水稀釋，在500～1000w功率下超聲粉碎50～150分鐘，即制備出納米纖維素懸浮液。調(diào)節(jié)納米纖維素濃度至1.0-2.0％，冷藏備用。不同超聲時(shí)間和功率處理，得到的納米纖維素尺寸大小不同，其對凝膠材料的力學(xué)增強(qiáng)效果不同。所述的方法，其中步驟c中石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠的制備方法包括以下步驟：(1)取1-10g聚乙烯醇粉末加入100-500ml去離子水，70-90℃加熱攪拌，至聚乙烯醇完全溶解形成均一透明的溶液其中，聚乙烯醇優(yōu)選分子量14-20萬，醇解度大于99％。(2)取石墨烯分散液和納米纖維素懸浮液，加入聚乙烯醇水溶液中，70-90℃機(jī)械攪拌，加入1-5g交聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌直至形成凝膠，即制成石墨烯納米纖維素聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠；其中，交聯(lián)劑優(yōu)選硼酸鹽或戊二醛，石墨烯含量占固體組分中質(zhì)量百分比為1～10％，納米纖維素含量占固體組分中質(zhì)量百分比為1～2％。所述的石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠在制備柔性導(dǎo)電材料中的應(yīng)用。制備納米纖維素采用的脫脂棉也可以用漂白木漿纖維等其他植物纖維替代。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：本專利技術(shù)采用化學(xué)交聯(lián)法制備的石本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種石墨烯?納米纖維素?聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠，其特征在于該凝膠采用下列方法制備得到的：a.制備石墨烯分散液；b.制備納米纖維素懸浮液；c.石墨烯分散液與納米纖維素懸浮液混合，加入到聚乙烯醇水溶液中，加入交聯(lián)劑，攪拌直至形成凝膠，即得石墨烯?納米纖維素?聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠。

【技術(shù)特征摘要】
2016.09.18 CN 20161082970491.一種石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠，其特征在于該凝膠采用下列方法制備得到的：a.制備石墨烯分散液；b.制備納米纖維素懸浮液；c.石墨烯分散液與納米纖維素懸浮液混合，加入到聚乙烯醇水溶液中，加入交聯(lián)劑，攪拌直至形成凝膠，即得石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電凝膠，其特征在于步驟a中石墨烯分散液的制備方法包括以下步驟：(1)秤取1-4g聚乙烯吡咯烷酮粉末，加入100-500g乙醇中，攪拌溶解，制備石墨烯分散劑；(2)取1-4g石墨烯粉末加入上述溶液中，在300-700w的功率下超聲分散5-10分鐘，制得石墨烯乙醇分散液；其中，石墨烯優(yōu)選為多層石墨烯或少層石墨烯，純度大于85％。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電凝膠，其特征在于步驟b中納米纖維素懸浮液的制備方法包括以下步驟：(1)取10～20g粉碎的脫脂棉加入100～500g質(zhì)量分?jǐn)?shù)30～50％的硫酸中，在40～50℃下磁力攪拌酸水解30～120分鐘；(2)加入去離子水終止酸解反應(yīng)，將所得混合物用去離子水反復(fù)漂洗后轉(zhuǎn)移至透析袋中透析至pH值中性；(3)取上述混合物，加水稀釋，在500～1000w功率下超聲粉碎50～150分鐘，即制備出納米纖維素懸浮液。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合導(dǎo)電凝膠，其特征在于步驟c中石墨烯-納米纖維素-聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠的制備方法包括以下步驟：(1)取1～10g聚乙烯醇粉末加入100～500ml去離子水中，70～90℃加熱攪拌，至聚乙烯醇完全溶解形成均一透明的溶液；其中，聚乙烯醇優(yōu)選分子量14-20萬，醇解度大于99％；(3)取石墨烯分散液和納米纖維素懸浮液，加入聚乙烯醇水溶液中，70～90℃機(jī)械攪拌，加入1～5g交聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌直至形成凝膠，即制成石墨烯納米纖維素聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電凝膠；其中，交聯(lián)劑優(yōu)選硼酸鹽或戊二醛，石墨烯含量占固體組分中質(zhì)量百分比為1～10％，納米纖維素含量占固體組分中質(zhì)量百...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：韓景泉，王慧祥，徐信武，黃超伯，岳一瑩，丁琴琴，鮑雅倩，陸凱悅，王思偉，尤立行，郁辰，陳敏峰，
申請(專利權(quán))人：南京林業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32