CN104072979A - 一种氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜及其制备方法，是将多壁碳纳米管利用氧化的方法纵向切割成带状结构的氧化石墨烯纳米带，然后采用溶液成形方法将氧化石墨烯纳米带与聚合物复合形成所述薄膜。本发明制备的复合薄膜具有优异的阻隔性能与力学性能，并且薄膜能保持一定的透明性，可以广泛的应用在阻隔要求较高的领域。目前碳纳米管国内外已经可以大规模生产，大大降低了制备氧化石墨烯纳米带的成本，且本发明只需很少量的氧化石墨烯纳米带就可以使复合薄膜的阻隔性大大提高，其力学性能也得到很大的提升。本发明制备工艺简单，操作性强，适合大规模工业化生产。

Description

一种氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子复合薄膜制备技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜及其制备方法。
背景技术
理想的石墨烯是一种单层的二维无限结构，拥有高的结晶度与半金属电学性能，在储能材料、电子器件、复合材料等领域成为研究热点，并且石墨烯具有优异的不渗透性，目前在阻隔材料领域也逐渐受到青睐，但实际中制备的石墨烯片表面往往带有褶皱起伏缺陷，这势必会影响其在诸多领域的应用。近几年兴起的一种新型碳材料石墨烯纳米带由于具有独特的高纵横比、低缺陷、形态可控等特点而成为透明电极，阻隔性填料等领域的最佳候选。
石墨烯纳米带是一种碳原子以sp2杂化轨道形成的薄细条状材料，可以采用CVD法、平板印刷法、超声波法、纵向氧化切割碳纳米管法制备。碳纳米管主要分为单壁碳纳米管与多壁碳纳米管两种，从已知的文献中可知传统采用纵向氧化切割单壁碳纳米管得到的石墨烯纳米带容易缠结而不利于使用，利用多壁碳纳米管切割得到的石墨烯纳米带则边缘整齐，带状结构缺陷少，具有优异的电子传输性能、机械性能、透明性与不渗透性，但其制备成本比较昂贵。因此，将同样具有不渗透性且价格较低的氧化石墨烯纳米带代替石墨烯纳米带，应用在阻隔领域，是解决上述问题的一个有效途径。此外，由于聚合物本身的特点会让气体等一些小分子物质渗透过去，这样势必会影响聚合物材料在阻隔领域中的应用，通过添加高阻隔的氧化石墨烯纳米带可提高聚合物的阻隔性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜及其制备方法，经本发明方法制得的氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜具有优异的阻隔性能与机械性能，可以广泛的应用在食品、药品包装以及电子产品表面封装材料等领域。本发明制备方法科学合理、工艺简单、可操作性强，适合大规模工业化生产。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜，是将多壁碳纳米管利用氧化的方法纵向切割成带状结构的氧化石墨烯纳米带，然后采用溶液成形方法将氧化石墨烯纳米带与聚合物复合形成所述薄膜。
所述氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的制备包括如下步骤：
1）  将15-20 g聚合物溶解在40-60 ml的溶剂中，在80-100℃的鼓风干燥箱中溶胀12h；
2）将0.045-0.15 g氧化石墨烯纳米带溶解在10-20 ml的溶剂中，100 W超声分散20-30 min；
3）将步骤1）的聚合物溶液和步骤2）超声分散好的氧化石墨烯纳米带混合均匀，100 W超声分散1-5 h，再在机械搅拌机上搅拌1-3 h，形成糊状液体；
4）在抽滤机上抽出糊状液体里的空气，将玻璃板放置在涂膜机上，然后利用湿膜制备器涂0.10±0.01mm厚度的膜，接着将玻璃板放置在60-65 ℃的真空干燥箱中抽真空；10-20 min后打开真空干燥箱，将溶剂蒸汽放出，然后将玻璃板于70-80 ℃中干燥4-8 h后，室温下放凉，将薄膜取下，得到所述氧化石墨烯纳米带-聚合物复合薄膜。
所述氧化石墨烯纳米带的制备包括以下步骤：
1）      将20-30 ml、质量分数为85.8％的H3PO4溶液加入到500 ml、带有磁性转子的圆底烧瓶中，然后将180-200 ml浓H2SO4加入到圆底烧瓶中，300r/min的转速下搅拌均匀；
2）      将1-1.5 g 多壁碳纳米管加入到步骤1）的溶液中，搅拌1-2 h，然后在30min内将6-9 g KMnO4分3步缓慢加入到上述混合液中，再搅拌15-30 min；
3）  将步骤2）的反应体系移至55-65℃的油浴锅中，300r/min的转速下搅拌反应2-6 h，放凉至室温，然后倒入含有5-10 ml H2O2的冰水混合液中凝结24 h，此时溶液变成墨绿色，表明反应完全；
4）将步骤3）的溶液以100 W功率超声分散20-30 min，在聚四氟乙烯膜上用质量分数为10％的HCl与去离子水反复洗涤过滤，最后60℃真空干燥24 h，得到所述氧化石墨烯纳米带。
所述的聚合物为聚酯型热塑性聚氨酯、聚醚型热塑性聚氨酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚酰胺、聚苯乙烯或聚乙烯中的任意一种。
所述的溶剂为N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、三氯甲烷、甲苯或水中的任意一种。
传统利用氧化石墨烯制备复合薄膜，由于氧化石墨烯基底部分有很多缺陷，因此对小分子物质并不能起到很好的阻隔作用，而氧化石墨烯纳米带只有带的边缘有缺陷，其带面可很好的与聚合物基体接触，因此，利用其制备的复合薄膜与利用氧化石墨烯纳米制备的复合薄膜相比，具有更好的不渗透作用。
另一方面，原始的多壁碳纳米管对于增强聚合物复合材料效果不明显，这是因为多壁碳纳米管只有管状的表面接触，而将它纵向切割成带状结构的氧化石墨烯纳米带后，由于氧化石墨烯纳米带的两面都可以很好的与聚合物基体接触，接触面积显著增加，从而可明显增强聚合物薄膜的性能。
本发明的优点在于：
（1）目前碳纳米管国内外已实现大规模工业化生产，使氧化石墨烯纳米带的制备也非常廉价，同时，本发明只需很少量的氧化石墨烯纳米带就可以制备得到阻隔性能和力学性能优异的复合薄膜，使其成本低廉，可以广泛的应用在阻隔要求较高的领域，且其制备工艺简单，操作性强，适合大规模工业化生产。
（2）本发明制备的复合薄膜不仅具有优异的阻隔性能与力学性能，还有一定的透明性，可以广泛的应用在食品、药品包装以及电子产品表面封装材料等领域。
附图说明
图1为氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的阻隔原理示意图。
图2为多壁碳纳米管与本发明所制备的氧化石墨烯纳米带的SEM图，其中，A为多壁碳纳米管，B为氧化石墨烯纳米带。
图3为多壁碳纳米管与本发明所制备的氧化石墨烯纳米带的TEM图，其中，A为多壁碳纳米管，B为氧化石墨烯纳米带。
图4为多壁碳纳米管与本发明所制备的氧化石墨烯纳米带的拉曼对比图。
图5为多壁碳纳米管与本发明所制备的氧化石墨烯纳米带的XRD对比图。
图6为多壁碳纳米管与本发明所制备的氧化石墨烯纳米带的红外对比图。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
氧化石墨烯纳米带的制备包括以下步骤：
1）将20 ml、质量分数为85.8％的H3PO4溶液加入到500 ml、带有磁性转子的圆底烧瓶中，然后将200 ml浓H2SO4加入到圆底烧瓶中，300r/min的转速下搅拌均匀；
2）将1 g 多壁碳纳米管加入到步骤1）的溶液中，搅拌2 h，然后在30min内将6 g KMnO4分3步缓慢加入到上述混合液中，再搅拌20 min；
3）将步骤2）的反应体系移至55℃的油浴锅中，300r/min的转速下搅拌反应2 h，放凉至室温，然后倒入含有5 ml H2O2的冰水混合液中凝结24 h，此时溶液变成墨绿色，表明反应完全；
4）将步骤3）的溶液以100 W功率超声分散30 min，在聚四氟乙烯膜上用质量分数为10％的HCl与去离子水反复洗涤过滤，最后60℃真空干燥24 h，得到所述氧化石墨烯纳米带。
图2为多壁碳纳米管与所制备的氧化石墨烯纳米带的SEM图，图3为多壁碳纳米管与所制备的氧化石墨烯纳米带的TEM图。
图4为多壁碳纳米管与所制备的氧化石墨烯纳米带的拉曼对比图，图4中多壁碳纳米管在1317 cm-1和1594 cm-1代表D与G峰，经过切割得到氧化石墨烯纳米带的D峰1326 cm-1与G峰1594 cm-1相对于多壁碳纳米管的峰形变强、变宽，表明晶格畸变与结构缺陷增加，证明多壁碳纳米管被打开。
图5为多壁碳纳米管与所制备的氧化石墨烯纳米带的XRD对比图，图5中多壁碳纳米管在2θ=26.26°处出现强烈的衍射峰并且呈现尖锐的形状，由布拉格方程可得多壁碳纳米管的层间距为0.34 nm。氧化石墨烯纳米带在2θ=9.06°处出现强烈的衍射峰，相应的层间距为0.98 nm，表明多壁碳纳米管被成功的纵向切割成氧化石墨烯纳米带；其在2θ=26.26°处峰形比较平缓，表明多壁碳纳米管基本全部被氧化切割成氧化石墨烯纳米带。
图6为多壁碳纳米管与所制备的氧化石墨烯纳米带的红外对比图，图6多壁碳纳米管在1043 cm-1处有C-OH的微弱吸收峰，在1580 cm-1处有C=C的特征吸收峰。氧化石墨烯纳米带在1225 cm-1与1725 cm-1处出现新的吸收峰，分别对应C=O与C-O-C，3395 cm-1处为O-H伸缩吸收峰，表明多壁碳纳米管基本全部切割成带状的氧化石墨烯纳米带。
实施例1
氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的制备，包括以下步骤：
1）  将15 g聚酯型热塑性聚氨酯溶解在40 ml N-N二甲基甲酰胺中，在80 ℃的鼓风干燥箱中溶胀12h；
2）将0.045 g氧化石墨烯纳米带溶解在10 ml的N-N二甲基甲酰胺中，100 W超声分散20min；
3）将步骤1）的聚合物溶液和步骤2）超声分散好的氧化石墨烯纳米带混合均匀，100 W超声分散1h，再在机械搅拌机上搅拌3 h，形成糊状液体；
4）将糊状液体倒进带有吸管的小容量瓶中，然后在抽滤机上抽出糊状液体里的空气，直到容量瓶中没有气泡为止；将玻璃板放置在涂膜机上，然后利用湿膜制备器涂0.09mm厚度的膜，接着将玻璃板放置在60℃的真空干燥箱中抽真空；10 min后打开真空干燥箱，将溶剂蒸汽放出，然后将玻璃板于70℃中干燥8 h后，室温下放凉，将薄膜取下，得到所述氧化石墨烯纳米带-聚合物复合薄膜。
实施例2
氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的制备，包括以下步骤：
1）  将15 g聚醚型热塑性聚氨酯溶解在60 ml四氢呋喃中，在80 ℃的鼓风干燥箱中溶胀12h；
2）将0.075 g氧化石墨烯纳米带溶解在10 ml的四氢呋喃中，100 W超声分散20 min；
3）将步骤1）的聚合物溶液和步骤2）超声分散好的氧化石墨烯纳米带混合均匀，100 W超声分散3 h，再在机械搅拌机上搅拌2 h，形成糊状液体；
4）将糊状液体倒进带有吸管的小容量瓶中，然后在抽滤机上抽出糊状液体里的空气，直到容量瓶中没有气泡为止；将玻璃板放置在涂膜机上，然后利用湿膜制备器涂0.09 mm厚度的膜，接着将玻璃板放置在62℃的真空干燥箱中抽真空；15 min后打开真空干燥箱，将溶剂蒸汽放出，然后将玻璃板于75℃中干燥5 h后，室温下放凉，将薄膜取下，得到所述氧化石墨烯纳米带-聚合物复合薄膜。
实施例3
不加氧化石墨烯纳米带，其余按照实施例1的条件制备纯聚酯型热塑性聚氨酯薄膜，作为对比实验组1。
实施例4
不加氧化石墨烯纳米带，其余按照实施例2的条件制备纯聚醚型热塑性聚氨酯薄膜，作为对比实验组2。
实施例5
步骤2）将0.045 g氧化石墨烯溶解在10 ml的N-N二甲基甲酰胺中，100 W超声分散20min；其余按照实施例1的条件制备氧化石墨烯/聚酯型热塑性聚氨酯复合薄膜，作为对比实验组3。
性能测试：
（1）氧气透过率测试
根据国家标准GBT1038-2000，对实施例制得的薄膜进行氧气透过测试；薄膜试样为面积50cm2的圆片，测试精度：0.01 cc/m2.day.0.1MPa，真空度：<10 Pa，温控方式采用半导体双向高效控温，最后取每个试样三个样品氧气透过率的平均值。
（2）复合薄膜力学性能测试
根据国家标准GBT 528-2009，对实施例制得的薄膜进行拉伸性能测试。
测试结果见表1。
表1性能测试结果
通过表1结果对比可见，与单纯聚合物薄膜相比，本发明制备的氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的氧气透过率较低，力学性能较好；而在原料用量相等的情况下，氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的阻隔性能也好于氧化石墨烯/聚合物复合薄膜。因此，经试验表明本发明氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的性能良好，适用于阻隔要求较高的领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜，其特征在于：将多壁碳纳米管利用氧化的方法纵向切割成带状结构的氧化石墨烯纳米带，然后采用溶液成形方法将氧化石墨烯纳米带与聚合物复合形成所述薄膜。
2. 一种如权利要求1所述氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将聚合物溶解在溶剂中后，于80-100℃的鼓风干燥箱中溶胀12h；
2）将氧化石墨烯纳米带溶解在溶剂中，100 W超声分散20-30 min；
3）将步骤1）的聚合物溶液和步骤2）超声分散好的氧化石墨烯纳米带混合均匀，100 W超声分散1-5 h，再在机械搅拌机上搅拌1-3 h，形成糊状液体；
4）在抽滤机上抽出糊状液体里的空气，将玻璃板放置在涂膜机上，然后利用湿膜制备器涂0.10±0.01mm厚度的膜，接着将玻璃板放置在60-65 ℃的真空干燥箱中抽真空，以去除溶剂；然后将玻璃板于70-80 ℃中干燥4-8 h后，室温下放凉，将薄膜取下，得到所述氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜。
3. 根据权利要求2所述氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯纳米带的制备方法包括以下步骤：
将质量分数为85.8％的H3PO4溶液加入到带有磁性转子的圆底烧瓶中，然后将浓H2SO4加入到圆底烧瓶中，300r/min的转速下搅拌均匀；
将多壁碳纳米管加入到步骤1）的溶液中，搅拌1-2 h，然后将KMnO4缓慢加入到上述混合液中，再搅拌15-30 min；
将步骤2）的反应体系移至55-65℃的油浴锅中，300r/min的转速下搅拌反应2-6 h，放凉至室温，然后倒入含有H2O2的冰水混合液中凝结24 h；
将步骤3）的溶液以100 W功率超声分散20-30 min，在聚四氟乙烯膜上用质量分数为10％的HCl与去离子水反复洗涤过滤，最后60℃真空干燥24 h，得到所述氧化石墨烯纳米带。
4. 根据权利要求2所述氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述的聚合物为聚酯型热塑性聚氨酯、聚醚型热塑性聚氨酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚酰胺、聚苯乙烯或聚乙烯中的任意一种。
5. 根据权利要求2所述氧化石墨烯纳米带/聚合物复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述的溶剂为N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、三氯甲烷、甲苯或水中的任意一种。
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