纳米微晶纤维素/石墨烯复合薄膜的制备与性能研究

摘要

目前，石墨烯是最薄的二维晶体材料，且拥有独特的二维蜂巢状晶格结构，其厚度仅为0.335nm。石墨烯具有优异的力学、电学和光学性质，杨氏模量为1000GPa，断裂强度为130GPa，电子迁移率高达2×105cm2/(V·s)，透明度可达97.7％。石墨烯独特而优异的性能，使得其可广泛应用于生物检测、锂离子电池、超级电容器、显示器、传感器、太阳能电池等方面。纳米微晶纤维素(Nanocrystalline cellulose，NCC)是一种环境友好型、新型纳米材料，且来源丰富。NCC具有优异的力学性能和物理化学性能、高结晶度(＞70％)和巨大的比表面积(～70m2/g)，此外，NCC还具有良好的生物相容性、生物可降解性和稳定的化学性能。NCC可广泛应用于医药、生物、食品、化学等领域，近年来，NCC在柔性透明薄膜方面的应用也备受关注。本实验以NCC为基底，可控构筑NCC/石墨烯柔性导电薄膜，充分发挥NCC和石墨烯的优点，在赋予NCC薄膜以特殊导电性能的同时，也增强了NCC薄膜原有的力学性能。为石墨烯导电薄膜的制备提供了一个新方向，对高性能柔性导电薄膜的研究与发展具有重要意义。
　　基于此，本论文首先以微晶纤维素（Microcrystalline cellulose，MCC）为原料，以硫酸水解法制备了长度约300-600nm，直径约30-80nm的棒状NCC，再以NCC作分散剂，并改变其添加量，基于超声分散法制备石墨烯/NCC复合分散体系。为了评价石墨烯/NCC复合分散体系的分散稳定性，对其进行了动态和稳态流变、TEM、UV-vis以及沉降实验等测试分析。实验结果表明，随着NCC添加量的增加，石墨烯/NCC分散体系的剪切粘度、剪切应力、储能模量和损耗模量逐渐降低，且沉降实验中复合分散体系的沉淀积聚越来越少，而紫外可见特征吸收峰值显著增加，这说明了NCC的添加有助于改善石墨烯/NCC复合分散体系的分散稳定性。同时，TEM结果进一步表明了，NCC的添加促进了石墨烯水相体系的分散。
　　随后，借助超声分散和真空抽滤法制备了纯NCC柔性透明薄膜，并基于旋涂法将不同配方的石墨烯/NCC分散液均匀涂布在NCC膜的表面，从而获得NCC/石墨烯复合柔性导电薄膜。为了评价NCC不同添加量对复合薄膜的影响，进行了XRD、TG、力学性能、电导率、透光率以及SEM等一系列测试分析。实验结果表明，添加NCC可有效提高石墨烯的水相分散性;而且，相比于纯NCC薄膜，NCC/石墨烯复合薄膜的电导率和力学性能均有所增强，但复合薄膜的透光率和热稳定性有所下降。与没有添加NCC的复合薄膜相比较，添加NCC的复合薄膜的抗张强度和弹性模量的最大增幅可达96.8％和71.3％，断裂伸长率的最大减幅可达70％，NCC/石墨烯复合薄膜的电导率最大值可达到2.25S/cm。

目录

声明

符号说明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 导电薄膜

1．2．1 导电薄膜的制备方法

1．2．2 复合导电薄膜

1．3 纳米微晶纤维素

1．3．1 纳米微晶纤维素的简介

1．3．2 纳米微晶纤维素的制备方法

1．3．3 纳米微晶纤维素的性能与应用

1．4 石墨烯

1．4．1 石墨烯的结构与特性

1．4．2 石墨烯的制备方法

1．4．3 石墨烯的应用

1．5 本论文的背景、意义及研究内容

1．5．1 研究背景和意义

1．5．2 研究内容

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验主要仪器设备

2．2．3 纳米微晶纤维素悬浮液的制备

2．2．4 石墨烯／NCC分散液的制备

2．2．5 石墨烯／NCC分散液的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 石墨烯／NCC分散液的微观形貌分析

2．3．2 石墨烯／NCC分散液的紫外可见吸收光谱分析

2．3．3 石墨烯／NCC分散液的沉降实验分析

2．3．4 石墨烯／NCC分散液的稳态流变性能分析

2．3．5 石墨烯／NCC分散液的稳态剪切应力线性拟合

2．3．6 改变温度对石墨烯／NCC分散液稳态流变性能的影响

2．3．7 石墨烯／NCC分散液的动态流变性能分析

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验主要仪器设备

3．2．3 真空抽滤法制备纳米微晶纤维素薄膜

3．2．4 旋涂法制备纳米微晶纤维素／石墨烯复合薄膜

3．2．5 纳米微晶纤维素／石墨烯复合薄膜的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 NCC／石墨烯复合薄膜的傅里叶红外光谱图分析

3．3．2 NCC／石墨烯复合薄膜的X射线衍射谱图分析

3．3．3 NCC／石墨烯复合薄膜的热重分析

3．3．4 NCC／石墨烯复合薄膜的力学性能分析

3．3．5 NCC／石墨烯复合薄膜的电导率分析

3．3．6 NCC／石墨烯复合薄膜的透光率分析

3．3．7 NCC／石墨烯复合薄膜的扫描电子显微镜分析

3．4 本章小结

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢