阅读说明：本技术 一种石墨烯-纳米纤维素导电纸及其制备方法 (Graphene-nanocellulose conductive paper and preparation method thereof ) 是由 胡健 李海龙 陈俊君 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种石墨烯-纳米纤维素导电纸的制备方法及其制备的导电纸。所述制备方法包括以下步骤：将氧化石墨烯与纳米纤维素在水体系下均匀混合,使氧化石墨烯和纳米纤维素在水中的总质量浓度为0.5‰～2‰,调节pH＝3～10,在水热条件下反应,然后将反应后的产物进行分散,抽滤,干燥,即得；所述水热条件为：反应温度120℃～200℃,反应时间1h～15h；所述纳米纤维由木浆纤维经TEMPO/NaBr/NaClO氧化法制备。本发明的制备方法绿色、低成本、工艺简单、高效,制备得到的自支撑导电纸表面光滑平整、力学性能优良、电导率高、方阻低。(The invention provides a preparation method of graphene-nano cellulose conductive paper and the conductive paper prepared by the same. The preparation method comprises the following steps: uniformly mixing graphene oxide and nanocellulose in a water system, enabling the total mass concentration of the graphene oxide and the nanocellulose in water to be 0.5-2 per mill, adjusting the pH value to be 3-10, reacting under a hydrothermal condition, and then dispersing, filtering and drying a product after reaction to obtain the graphene oxide nano-cellulose nano-; the hydrothermal conditions are as follows: the reaction temperature is 120-200 ℃, and the reaction time is 1-15 h; the nano-fiber is prepared from wood pulp fiber by a TEMPO/NaBr/NaClO oxidation method. The preparation method disclosed by the invention is green, low in cost, simple in process and high in efficiency, and the prepared self-supporting conductive paper is smooth and flat in surface, excellent in mechanical property, high in conductivity and low in sheet resistance.)

一种石墨烯-纳米纤维素导电纸及其制备方法

技术领域

本发明属于造纸技术领域，具体涉及一种柔性导电纸。

背景技术

随着可穿戴和便携式电子器件的发展，具有轻、薄、自支撑的柔性导电材料的研究越来越受到重视。

柔性导电材料的原料包括基质材料和导电材料。石墨烯-纳米纤维素导电纸是目前常见的一种柔性导电材料，其中石墨烯是导电材料，纳米纤维是基质和增强材料。

纤维素由于其天然可降解、廉价易得、环境友好、比表面积大等优点在柔性导电材料的基质材料中得到广泛的应用。纳米纤维素(也被称为“纤维素纳米纤维”)具有高结晶度、高强度及高比表面积等特性，加之还具有轻质、生物相容性及可降解性，使得其作为基质材料在制备新型复合材料(包括柔性导电纸)领域获得新的关注。常见纳米纤维素制备方法有机械法、化学法及生物处理法等。但是由于纳米纤维素的比表面积大，表面有大量的羟基，其很难分散在有机溶剂中。另外它的亲水性较强，这种亲水倾向限制了其在复合材料中的应用。为了提高它在有机溶剂中的分散性，通常对其进行改性和表面活化。近年来，研究者发现TEMPO(2,2,6,6-tertramethylepiperidin-1-oxy,2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基)/NaBr/NaClO或TEMPO/NaClO/NaClO₂体系可以在水溶液中选择性氧化纤维素伯醇羟基，从而在微纤维表面引入羧基、醛基等负电荷而不改变纤维形态和结晶度，使其悬浮液更加稳定；氧化纤维素经均质处理制得TEMPO氧化纳米纤维素。TEMPO氧化反应条件温和、操作简单、成本低且污染小，纳米纤维制备过程能耗低，得率高，所得纳米纤维具有长径比大、在水中能稳定分散而不聚集的优点(戴磊.TEMPO氧化纤维素纳米纤维的制备及应用研究进展[J].材料工程.2015年8月，第43卷第8期：84-91)。公开号CN109162141A(公开日2019年1月8日)的发明专利申请“一种纳米导电纸及其制备方法和电容器”，披露了一种包括纳米纤维素与导电材料的纳米导电纸的制备方法，其中，所述纳米纤维素通过阔叶木浆、桉木浆或针叶木浆经TEMPO/NaBr/NaClO体系进行氧化和均质处理得到；纳米纤维素与导电材料混合均匀后经真空抽滤得到纳米导电膜，然后将所述纳米导电膜置于氯化胆碱和尿素的混合水溶液中浸泡，取出干燥，得到所述纳米导电纸。

常用的导电材料包括纳米银线、聚3,4-乙撑二氧噻吩、聚苯乙烯磺酸盐、石墨烯、碳纳米管以及导电金属的纳米粉末等。石墨烯是目前已知物质中室温下导电性最好的材料，因为高电子迁移率及高电导率使得其被广泛应用于柔性导电材料。作为一种高比表面积的二维片层材料，石墨烯的疏水性和片层之间存在的范德华力，使得其容易团聚，造成分散不均匀；且石墨烯的表面惰性导致其难以和其他材料进行复合。氧化石墨烯(GO)由于拥有大量的含氧官能团(如羟基、环氧基、羰基和羧基等亲水基团)，可以在水中良好分散，从而能够与基质材料(如纳米纤维素)充分地混合。但是石墨烯氧化态的导电性能不及还原态，因此在氧化石墨烯与基质材料混合或复合成形后，需要将氧化石墨烯还原。公开号CN1077002628A(公开日2018年2月16日)的发明专利申请“一种高导电性导电纸及其制备方法”，公开的导电纸的制备方法为：通过超声波处理和生物发酵木浆纤维得到表面活化的细化木浆纤维丝，以超声处理使氧化态石墨烯包覆木浆纤维，并通过葡萄糖水热还原(120～125℃，3～4h)得到石墨烯-纳米木浆纤维复合丝，最终与树脂混合制浆抄造成高导电性导电纸。该方法以葡萄糖水加热使氧化态石墨烯还原；并且导电纸最终成形需要另外添加树脂作为粘合剂。又如公开号CN10184855A(公开日2019年8月30日)的发明专利申请“一种可透气和水洗的复合柔性导电纸及其制备方法和应用”，公开的导电纸的制备方法为：对纤维中均匀分散有氧化石墨烯的纤维素纸进行热还原；其中热还原的具体操作为：1)将氧化石墨烯-纤维素复合纸剪裁为1～2cm×2～3cm的长方形后按照0.5～1.5cm间距依次铺展并装夹于两个玻璃片间；2)将装夹有氧化石墨烯-纤维素复合纸的两个玻璃片置于管式炉中，然后在隔绝氧气环境下以4～8℃/min升温至200～400℃并保温1.5～2.5h，然后冷却。上述还原氧化石墨烯的方法或者需要外加还原剂，或者操作繁琐，需要特殊的设备，能耗大。

因此，有必要对现有方法进行改进，以提供一种绿色、低成本、工艺简单、高效的石墨烯-纳米纤维素导电纸的制备方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种石墨烯-纳米纤维素导电纸的制备方法及该方法制备的导电纸。本发明的制备方法绿色、低成本、工艺简单、高效，制备得到的自支撑导电纸表面光滑平整、力学性能优良、电导率高、方阻低。

为了实现上述发明技术效果，本发明采用了如下的技术方案：

一种石墨烯-纳米纤维素导电纸的制备方法，包括以下步骤：

将氧化石墨烯与纳米纤维素在水体系下均匀混合，使氧化石墨烯和纳米纤维素在水中的总质量浓度为0.5‰～2‰，调节pH＝3～10，在水热条件下反应，然后将反应后的产物进行分散，抽滤，干燥，即得。

优选地，所述氧化石墨烯与纳米纤维素的绝干质量比为1:0.7～1:5。

更优选地，述氧化石墨烯与纳米纤维素的绝干质量比为1:0.7～1.1。

优选地，所述氧化石墨烯可以为固体或分散液。

优选地，所述水热条件为：反应温度120℃～200℃，反应时间1h～15h。

更优选地，所述水热反应条件为：反应温度160～170℃，反应时间2～4h。

优选地，所述干燥是指自然风干。

优选地，所述反应后的产物经过机械分散法和超声分散法中的一种或两种分散在水中。

优选地，所述纳米纤维素是纤维素经化学法、机械法和生物法中的一种或多种处理制得。

优选地，所述化学法选自TEMPO氧化法或酸水解法。

优选地，所述机械法选自研磨法或高压匀浆法。

更优选地，所述纳米纤维素是纤维素经TEMPO氧化法和机械法处理制得。

优选地，所述纤维素来自漂白阔叶木浆纤维或漂白针叶木浆纤维。

作为一个优选的方案，所述纳米纤维素经过如下方法制得：

在漂白阔叶木浆纤维或漂白针叶木浆纤维中加入水搅拌，然后向悬浮液中加入0.1g/g绝干浆的NaBr、0.015g/g绝干浆的TEMPO和5～7mmol/g绝干浆的NaClO，反应浆总质量百分比浓度为0.8％～1％，调pH至9.8～10，室温下进行反应；反应过程中每隔2～3分钟用NaOH调节体系pH值至9.8～10，当反应体系pH稳定在9.8～10超过30min不变，氧化反应完成；反应后的混合体系直接进行高压均质4～10次，压力为80～100bar，即得。

作为一个更优选的方案，所述纳米纤维素经过如下方法制得：

在漂白阔叶木浆纤维或漂白针叶木浆纤维中加入水搅拌，然后向悬浮液中加入0.1g/g绝干浆的NaBr、0.015g/g绝干浆的TEMPO和6mmol/g绝干浆的NaClO，反应浆总质量百分比浓度为0.9％，调pH至9.8～10，室温下进行反应；反应过程中每隔2～3分钟用NaOH调节体系pH值至9.8～10，当反应体系pH稳定在9.8～10超过30min不变，氧化反应完成；反应后的混合体系直接进行高压均质7～8次，压力为88～92bar，即得。

本发明还有一个目的在于提供一种通过上述制备方法制备得到的导电纸。

优选地，所述导电纸的定量35-50g/m²，厚度0.01-0.06mm。

此外，本发明还提供上述导电纸在电磁屏蔽材料或抗静电材料中的应用。

本说明书中，如果没有特殊说明，所述“水”为经过净化处理的去离子水、蒸馏水、反渗透水等。

本发明利用纳米纤维素在水热过程中发生降解，产生葡萄糖等糖基来还原氧化石墨烯，而未降解的结晶度高的纳米纤维素作为还原后复合纸的增强相，赋予纸张良好的柔性和高强度，实现导电纸的自支撑。因此，本发明无需外加还原剂或者进行额外的还原反应就能够实现氧化态石墨烯的还原。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明的制备方法简单，对设备仪器要求低，适合工业化生产。纳米纤维素和氧化石墨烯的水热还原反应在普通的带加热装置的反应设备中就可以进行，无需隔绝空气。

(2)本发明的导电纸制备过程无需添加任何粘结剂、表面活性剂及还原剂，绿色无污染。

(3)本发明方法制备的石墨烯-纳米纤维素导电纸表面光滑平整，最大拉伸应力大于3000MPa，电导率大于500S/m、方阻小于60Ω/sq。

附图说明

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

图1是实施例2制备的石墨烯-纳米纤维素导电纸的实物图照片。

图2是实施例2制备的石墨烯-纳米纤维素导电纸弯曲180°的照片。

图3是实施例2制备的石墨烯-纳米纤维素电纸表面的SEM图(放大倍数15000倍)。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。其中，部分试剂和原料购买情况如下：

氧化石墨烯：水溶液，质量百分比浓度0.5％；北京碳世纪科技有限公司，规格型号CCTGO-203。

下面实施例所用的水为去离子水。

实施例1一种纳米纤维素(悬浮液)

在漂白桉木化学浆纤维中加入水搅拌，然后向原料悬浮液中加入0.1g/g绝干浆的NaBr、0.015g/g绝干浆的TEMPO和6mmol/g绝干浆的NaClO，反应浆总质量百分比浓度浓为0.9％，用0.5MNaOH调pH至9.8～10，室温下进行反应。反应过程中每隔2-3分钟测定体系的pH值，如果pH值低于9.8，则,0.5MNaOH调节体系pH值至9.8～10，当反应体系pH稳定在9.8-10超过30min时，氧化反应完成；反应后的混合体系直接进行高压均质8次，压力为90bar，即得。

实施例2一种石墨烯-纳米纤维素导电纸

本实施例所述石墨烯基-纳米纤维素导电纸通过如下方法制备：将氧化石墨烯水溶液(0.5％w/w)与按照实施例1所述方法制备的纳米纤维素按绝干质量比1:1在水体系下均匀混合，混悬液中氧化石墨烯和纳米纤维素的总质量百分比浓度为0.5‰，调节pH为7.5，置于反应釜中170℃反应3h。然后将反应后的产物进行超声分散，功率40W，温度25℃，时间10min。最后在真空砂芯抽滤装置中抽滤，抽滤压力0.06Mp，自然风干，即得，记为样品1。

本实施例制备的石墨烯-纳米纤维素导电纸定量为38g/m²，厚度0.02mm；该导电纸表面均匀、光滑，平整，形态良好，照片见图1。本实施例的导电纸柔韧性好，可以轻松弯曲180°，不发生断裂，见图2所示。该导电纸放大15000倍的SEM图见图3。图3示出在所述放大倍数下，该导电纸依然光滑、平整，表面不粗糙、无空洞现象，结构紧密。

实施例3一种石墨烯-纳米纤维素导电纸

本实施例所述石墨烯基-纳米纤维素导电纸通过如下方法制备：将氧化石墨烯水溶液(0.5％w/w)与按照实施例1所述方法制备的纳米纤维素按绝干质量比1:2在水体系下均匀混合，混悬液中氧化石墨烯和纳米纤维素的总质量百分比浓度为1‰，调节pH为6，置于反应釜中200℃反应4h。然后将反应后的产物进行超声分散，功率100W，温度25℃，时间5min。最后在真空砂芯抽滤装置中抽滤，抽滤压力0.06Mp，自然风干，即得，记为样品2。

本实施例制备的石墨烯-纳米纤维素导电纸外观与实施例1相似，其实物照片、弯曲180°的照片以及SEM图，略。本实施例的导电纸定量为42g/m²，厚度0.03mm。

实施例4一种石墨烯-纳米纤维素导电纸

本实施例所述石墨烯基-纳米纤维素导电纸通过如下方法制备：将氧化石墨烯水溶液(0.5％w/w)与按照实施例1所述方法制备的纳米纤维素按绝干质量比1:5在水体系下均匀混合，混悬液中氧化石墨烯和纳米纤维素的总质量百分比浓度为2‰，调节pH为8，置于反应釜中140℃反应8h。然后将反应后的产物进行超声分散，功率150W，温度40℃，时间2min。最后在真空砂芯抽滤装置中抽滤，抽滤压力0.06Mp，自然风干，即得，记为样品3。

本实施例制备的石墨烯-纳米纤维素导电纸外观与实施例1相似，其实物照片、弯曲180°的照片以及SEM图，略。本实施例的导电纸定量为50g/m²，厚度0.06mm。

实施例5一种石墨烯-纳米纤维素导电纸

本实施例所述石墨烯基-纳米纤维素导电纸通过如下方法制备：将氧化石墨烯水溶液(0.5％w/w)与按照实施例1所述方法制备的纳米纤维素按绝干质量比1:0.7在水体系下均匀混合，混悬液中氧化石墨烯和纳米纤维素的总质量百分比浓度为5‰，调节pH为5，置于反应釜中190℃反应2h。然后将反应后的产物进行超声分散，超声功率40W，温度25℃，时间10min。最后利用真空砂芯抽滤装置进行抽滤，抽滤压力0.06Mpa，自然风干，即得，记为样品4。

本实施例制备的石墨烯-纳米纤维素导电纸外观与实施例1相似，其实物照片、弯曲180°的照片以及SEM图，略。本实施例的导电纸定量为35g/m²，厚度0.01mm。

对比例1一种石墨烯-纳米纤维素导电纸

本实施例所述石墨烯基-纳米纤维素导电纸通过如下方法制备：将氧化石墨烯水溶液(0.5％w/w)与按照实施例1所述方法制备的纳米纤维素按绝干质量比1:0.7在水体系下均匀混合，混悬液中氧化石墨烯和纳米纤维素的总质量百分比浓度为5‰，调节pH为5，置于反应釜中240℃反应10h。然后将反应后的产物进行超声分散，超声功率40W，温度25℃，时间10min。最后利用真空砂芯抽滤装置进行抽滤，抽滤压力0.06Mpa；抽滤结束时膜已破裂，自然风干，记为样品5。

对比例2一种石墨烯-纳米纤维素导电纸

本实施例所述石墨烯基-纳米纤维素导电纸通过如下方法制备：将氧化石墨烯水溶液(0.5％w/w)与按照实施例1所述方法制备的纳米纤维素按绝干质量比1:10在水体系下均匀混合，混悬液中氧化石墨烯和纳米纤维素的总质量浓度为5‰，调节pH为5，置于反应釜中190℃反应2h。然后将反应后的产物进行超声分散，超声功率40W，温度25℃，时间10min。最后利用真空砂芯抽滤装置进行抽滤，抽滤压力0.06Mpa，自然风干，即得，记为样品6。

测试例

1.测定上述实施例和对比例制备的导电纸的厚度、方阻、电导率、最大拉伸应力和弹性模量。其中：

电导率、方阻采用RTS-9四探针测试仪，按照标准JJG508-2004规定的方法测定；

最大拉伸应力和弹性模量采用INSTRON 3300材料试验机测定，方法参考Yang X等报道的方法(Yang X,et al.Well-Dispersed Chitosan/Graphene Oxide Nanocomposites[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2010,2(6):1707-1713)。

测定结果见表1。

表1不同样品的石墨烯基导电纸性能

2.反复弯曲后导电性能

由于对比例1制备的样品5破裂，对比例2制备的样品6电导率超出了仪器测试的范围，因此仅对实施例2-5制备的导电纸进行反复弯曲后导电性能变化的测试。具体方法为：

将导电纸反复弯曲180°500次，再次测定其方阻和电导率。

结果见表2。

表2不同样品反复弯曲后导电性能变化

表2的数据示出，本发明的导电纸经过反复弯曲180°500次后，外观和导电性能均保持不变。

总之，本发明提供了一种石墨烯-纳米纤维素导电纸的制备方法。该方法具有高效、绿色、低成本、工艺简单的优点。通过该方法制备的导电纸，表面光滑平整、力学性能和电学性能皆优。