石墨烯/二氧化钛/纳米微晶纤维素导电薄膜的制备及性能研究

摘要

纳米微晶纤维素（Nanocrystalline cellulose, NCC）是天然纤维素经过一定处理，纤维素大分子中的非结晶区及较低结晶度的结晶区被水解破除后，进一步分离得到具有高结晶度的纤维素结晶体。因其高强度、低热膨胀率、良好的生物可降解性与生物相容性，NCC在柔性透明薄膜方面的应用备受关注。石墨烯是世界上已知材料中最薄的二维材料，其厚度仅为0.335 nm，具有很高的机械强度（1060 GPa），极大的比表面积（2600 m2/g）和超高的电子迁移率（2×105 cm2/V·s)。石墨烯独特的二维蜂巢状晶格结构使其具有优异的力学、光学、电学及热学性能，在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面已显示出巨大的应用潜力。基于此，本论文以 NCC为基材、石墨烯为导电填料，构建柔性导电薄膜，充分发挥NCC和石墨烯的协同效应，这对柔性透明导电薄膜的研究与发展具有一定理论意义和实践价值。
　　首先，以微晶纤维素（Microcrystalline cellulose, MCC）为原料，基于硫酸水解方法、制备了直径约30-80 nm，长度约300-600 nm的NCC。其次，采用改进Hummers法制备了氧化石墨烯（Graphene oxide, GO），并以纳米TiO2为催化剂，借助紫外光照射对GO进行光催化还原，得到RGO/TiO2纳米复合材料。随后，运用FT-IR、XRD、TG、TEM等手段对其进行表征。FT-IR分析表明，RGO/TiO2复合材料在–OH、–COOH、C=O等含氧官能团处的特征峰强度明显减弱，GO大部分含氧官能团被有效还原去除；XRD结果表明，光催化反应后，GO的特征衍射峰强度明显减弱，说明GO被有效还原成还原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide, RGO）；TG分析结果表明，RGO/TiO2复合材料的热稳定性明显优于GO、RGO；TEM分析结果确证，少量纳米TiO2复合在单层RGO上。
　　最后，以NCC为薄膜基质、RGO/TiO2为导电填料，借助超声分散、通过真空抽滤制备了柔性透明导电薄膜，探讨了薄膜制备的适宜工艺条件，并对其微观结构、导电性能、力学性能及光学性能进行了研究。结果表明，当RGO:TiO2=9:1，RGO/TiO2的添加量为1％时，复合导电薄膜具有较好的导电性能、光学性能及力学性能。其电导率为9.3 S/m，透光率为31.5%，在最大拉力为32.5 Mpa、应变为1.25%的时候出现断裂，并且其弹性模量和拉伸强度分别达到3998 MPa和18.1 MPa，比单一NCC薄膜分别提高了14%和13%。SEM分析发现，RGO/TiO2/NCC复合导电薄膜表面比较光滑平整，均匀致密。TG分析表明，RGO/TiO2复合材料有助于提高复合薄膜的热稳定性。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2导电薄膜的概述

1.3纳米微晶纤维素的结构和性质

1.4石墨烯的概述

1.5本论文研究内容、目的与意义

第二章 石墨烯/二氧化钛复合材料的制备与表征

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 石墨烯/二氧化钛/纳米微晶纤维素复合导电薄膜的制备

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 石墨烯/二氧化钛/纳米微晶纤维素复合导电薄膜的性能表征

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢