CN103113625B - 一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料及其制备方法，属于高介电材料领域。复合材料包括含氰基的纤维素衍生物与石墨烯；含氰基的纤维素衍生物与氧化石墨的质量比为4～6:100。所述复合材料由下列方法制得：以具有一定介电常数含氰基的纤维素衍生物为主要原料，溶于一定的溶剂中形成溶液，再与预先制备好的氧化石墨分散液混合，流延，得复合膜。将复合膜中的氧化石墨通过原位还原得到含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合材料。制备方法简单，所用原料为环境友好材料，生物相容性好，所制得的复合材料具有良好的介电性能和生物相容性。

Description

一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料及其制备方法，属于高介电材料领域。

背景技术

高介电材料是一种应用前景非常广泛的材料，由于它有着很好的储存电能和均匀电场的性能，因而在电子、电机和电缆行业中都有非常重要的应用。随着电容器、谐振器、滤波器、存储器等众多重要电子器件向高性能化和尺寸微型化方向的发展，高介电材料受到越来越多的关注。除此之外，高介电材料在吸波材料、人工肌肉、药物释放、智能外衣等高端应用领域也有着潜在的广泛的应用前景。

传统的高介电材料大部分是用铁电材料特别是铁电陶瓷制作的,由于铁电材料加工温度高,相互黏结力比较差,因此不可能制成很大面积的元件。聚合物质轻、易加工、具有多尺度结构和特殊柔韧性,非常适于介电材料的制备。但是，聚合物的介电常数普遍偏低（通常室温下为2～10）。仅少数纯聚合物材料介电常数超过10，都远远低于铁电陶瓷材料的介电常数。

聚合物基复合材料作为新型的高介电材料已被广泛研究。为改善聚合物基复合材料的综合介电性能，包括最大限度地提高材料介电常数、降低介电损耗以及保证材料的介电强度等，人们先后开发了聚合物/陶瓷、聚合物/有机半导体和聚合物/金属等聚合物基复合材料。聚合物基高介电复合材料因具有良好的介电性能和耐热性、优良的机械性能和成型加工性以及质轻等优点成为近年来高介电材料研究的热点。

目前聚合物基高介电材料基本都是以聚偏氟乙烯（PVDF）为基材，通过PVDF与陶瓷、导电材料的掺杂来制备。专利CN201210179758.7和专利CN201210057681.6都介绍了聚偏氟乙烯和石墨烯的复合材料。但是PVDF是以石油为原料的合成高分子，难以降解，原料不可再生，生物相容性差，而且其介电常数也仅为7.2-8.4，以PVDF为基材与导电材料或陶瓷类材料复合所得的高介电材料通常用于电子、电机和电缆行业中，很难用于人工肌肉、药物释放等生物医药领域。因此，制备新的、来源广泛、生物相容性好的高介电常数聚合物材料，是一个必然的趋势。

纤维素是自然界分布最广、储量最大的天然高分子，具有可完全降解、无污染、生物相容性好等优点，是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源，是人们公认的未来能源、化工的主要原料。纤维素衍生物秉承了纤维素的生物相容性、可降解性，以其为基材制备的高介电材料，因其自身生物相容性好的优势，在生物工程领域有着广泛的应用前景。

石墨烯自2004年被发现以来，因其独特的电学、光学、机械学及热学性质，引起了世界范围内的广泛关注。他是由单层sp²杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，拥有完美的晶格结构，结构异常稳定，稳定的晶格结构使石墨烯具有优异的导电性能。同时还具有极为优异的力、热、光等性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决由于现有技术制得的聚合物基高介电材料生物相容性差、难降解，从而导致以PVDF为基材的高介电材料不适宜应用于生物医药领域；以及原料来源日益匮乏的问题，提供一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料及其制备方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料，包括含氰基的纤维素衍生物与石墨烯。通过含氰基的纤维素衍生物与氧化石墨以溶液形式混合，再原位还原氧化石墨得到，使石墨烯均匀分散在含氰基的纤维素衍生物中。含氰基的纤维素衍生物与氧化石墨的质量比为4～6:100；

含氰基的纤维素衍生物是氰乙基纤维素、羟乙基氰乙基纤维素、氰乙基纤维素甘油醚、羟丙基氰乙基纤维素、羧甲基氰乙基纤维素、乙基氰乙基纤维素中的一种。

本发明的一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤一：氧化石墨的制备

预氧化：在80～100℃温度下，将过硫酸钾和五氧化二磷溶于20～30mL的浓硫酸（质量浓度为98%）中；再加入石墨，保持温度为80℃，搅拌，冷却至室温；用去离子水稀释；将所得的产物在室温下搅拌过夜；水洗至中性，得到预氧化石墨；

氧化：将预氧化石墨和高锰酸钾加入到-1℃～5℃的浓硫酸中溶解；溶解后升温至35℃，使混合物充分反应；加入去离子水终止反应；再加入30%的过氧化氢，固体物水洗、离心，得到氧化石墨；

步骤二：含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合材料的制备

将氧化石墨分散在有机溶剂中，超声分散，得到氧化石墨烯溶液；然后将含氰基的纤维素衍生物溶于有机溶剂中溶解，再倒入氧化石墨烯溶液中，搅拌，得到含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合材料；

步骤三：将步骤二所得到含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合材料流延成膜；

步骤四：复合膜干燥

方法一、将步骤三所得的复合膜浸入氢碘酸（HI）溶液中10～60s后取出，洗涤，干燥。重复洗涤直到氧化石墨被还原，得到含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合膜；

方法二、将步骤三所得的复合膜浸入维生素C的水溶液中，60～80℃下使氧化石墨还原，得到含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合膜。

步骤二中所述有机溶剂的选择方法为：根据含氰基的纤维素衍生物的性质来选择有机溶剂，以达到二者充分互溶。所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮、二氯甲烷、N,N-二甲基乙酰胺、吡啶、二甲基亚砜等。

有益效果

1、本发明的一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料，生物相容性和降解性好，而且原料来源广泛且具有可再生性。含氰基的纤维素衍生物是以纤维素为基材经过化学改性得到的纤维素衍生物，具有和纤维素一样的生物降解性和良好的生物相容性。纤维素来源于棉花、木材、植物秸秆等，是地球上最丰富的可再生天然多糖。

2、本发明的一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料，具有良好的介电性能。主要成分含氰基的纤维素衍生物具有较高介电常数，如氰乙基纤维素的介电常数可达12左右；掺杂材料石墨烯是最具前途的导电材料，本身具有很多优异的性能。二者复合所得的含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合材料具有良好的介电性能。

3、本发明的一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料，石墨烯添加量小，仅占含氰基的纤维素衍生物质量的4%～6%，但是介电常数很高。

4、本发明的一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料，由于含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合材料具有生物相容性和降解性好、原料来源广泛且可再生、介电性能良好的优点，除了在电子、电机和电缆行业中可以应用，在人工肌肉、吸波材料和药物释放等领域也有很广阔的应用前景。

具体实施方式

以下根据实施例详细地说明本发明，但本发明并不限定于实施例。

实施例1：

1）氧化石墨的制备

预氧化：5g过硫酸钾和5g五氧化二磷在80℃溶于25mL浓硫酸中，加入6g石墨，80℃下搅拌4.5h，冷却至室温，用1L去离子水稀释，将所得的产物在室温下搅拌过夜。水洗至中性。

氧化：上述产物（预氧化石墨）和30g高锰酸钾加入到0℃的浓硫酸中，溶解后35℃下反应2h。加入去离子水终止反应。再加入25mL30%的过氧化氢，固体物水洗、离心，得到高浓度的氧化石墨。

2）氰乙基纤维素与石墨烯复合材料的制备

将0.1g氧化石墨分散在DMF溶剂中，超声分散8h，得到氧化石墨烯溶液。然后将2g氰乙基纤维素溶于DMF中，完全溶解后缓慢倒入氧化石墨烯溶液中，搅拌12h。

流延成膜，将复合膜干燥。

将复合膜浸入HI中30s，取出，洗涤，干燥。重复5次即得氰乙基纤维素与石墨烯复合材料。

用阻抗分析仪测得100Hz时介电常数为1800。该复合材料的分解温度为366℃，断裂伸长率为10%。

实施例2：

1）氧化石墨的制备

预氧化：3g过硫酸钾和3g五氧化二磷在100℃溶于15mL浓硫酸中，加入3.6g石墨，80℃下搅拌4.5h，冷却至室温，用800mL去离子水稀释，将所得的产物在室温下搅拌过夜。水洗至中性。

氧化：上述产物（预氧化石墨）和18g高锰酸钾加入到0℃的浓硫酸中，溶解后35℃下反应2h。加入去离子水终止反应。再加入15mL30%的过氧化氢，固体物水洗、离心，得到高浓度的氧化石墨。

2）羟乙基氰乙基纤维素与石墨烯复合材料的制备如下：

将0.1g氧化石墨分散在DMF溶剂中，超声分散8h，得到氧化石墨烯溶液。然后将2g羟乙基氰乙基纤维素溶于DMF中，完全溶解后缓慢倒入氧化石墨烯溶液中，搅拌12h。

流延成膜，将复合膜干燥。

将复合膜浸入HI中20s，取出，洗涤，干燥。重复6次即得羟乙基氰乙基纤维素与石墨烯复合材料。

用阻抗分析仪测得100Hz时介电常数为1750。该复合材料的分解温度为366℃，断裂伸长率为60%。

实施例3：

1）氧化石墨的制备

预氧化：6g过硫酸钾和6g五氧化二磷在90℃溶于30mL浓硫酸中，加入7.2g石墨，80℃下搅拌4.5h，冷却至室温，用1500mL去离子水稀释，将所得的产物在室温下搅拌过夜。水洗至中性。

氧化：上述产物（预氧化石墨）和36g高锰酸钾加入到0℃的浓硫酸中，溶解后35℃下反应2h。加入去离子水终止反应。再加入30mL30%的过氧化氢，固体物水洗、离心，得到高浓度的氧化石墨。

2）氰乙基纤维素甘油醚与石墨烯复合材料的制备如下：

将0.1g氧化石墨分散在DMF溶剂中，超声分散8h，得到氧化石墨烯溶液。然后将2g氰乙基纤维素甘油醚溶于DMF中，完全溶解后缓慢倒入氧化石墨烯溶液中，搅拌12h。

流延成膜，将复合膜干燥。

将复合膜浸入HI中20s，取出，洗涤，干燥。重复6次即得氰乙基纤维素甘油醚与石墨烯复合材料。

用阻抗分析仪测得100Hz时介电常数为1820。该复合材料的分解温度为256℃，断裂伸长率为40%。

实施例4：

1）氧化石墨的制备

预氧化：5g过硫酸钾和5g五氧化二磷在80℃溶于25mL浓硫酸中，加入6g石墨，80℃下搅拌4.5h，冷却至室温，用1L去离子水稀释，将所得的产物在室温下搅拌过夜。水洗至中性。

氧化：上述产物（预氧化石墨）和30g高锰酸钾加入到0℃的浓硫酸中，溶解后35℃下反应2h。加入去离子水终止反应。再加入25mL30%的过氧化氢，固体物水洗、离心，得到高浓度的氧化石墨。

2）羟丙基氰乙基纤维素与石墨烯复合材料的制备

将0.1g氧化石墨分散在DMF溶剂中，超声分散8h，得到氧化石墨烯溶液。然后将2g羟丙基氰乙基纤维素溶于DMF中，完全溶解后缓慢倒入氧化石墨烯溶液中，搅拌12h。

流延成膜，将复合膜干燥。

将复合膜浸入HI中30s，取出，洗涤，干燥。重复5次即得羟丙基氰乙基纤维素与石墨烯复合材料。

用阻抗分析仪测得100Hz时介电常数为1850。

实施例5：

1）氧化石墨的制备

预氧化：3g过硫酸钾和3g五氧化二磷在100℃溶于15mL浓硫酸中，加入3.6g石墨，80℃下搅拌4.5h，冷却至室温，用800mL去离子水稀释，将所得的产物在室温下搅拌过夜。水洗至中性。

氧化：上述产物（预氧化石墨）和18g高锰酸钾加入到0℃的浓硫酸中，溶解后35℃下反应2h。加入去离子水终止反应。再加入15mL30%的过氧化氢，固体物水洗、离心，得到高浓度的氧化石墨。

2）乙基氰乙基纤维素与石墨烯复合材料的制备如下：

将0.1g氧化石墨分散在DMF溶剂中，超声分散8h，得到氧化石墨烯溶液。然后将2g乙基氰乙基纤维素溶于DMF中，完全溶解后缓慢倒入氧化石墨烯溶液中，搅拌12h。

流延成膜，将复合膜干燥。

将复合膜浸入HI中20s，取出，洗涤，干燥。重复6次即得乙基氰乙基纤维素与石墨烯复合材料。

用阻抗分析仪测得100Hz时介电常数为1680。

实施例6：

1）氧化石墨的制备

预氧化：6g过硫酸钾和6g五氧化二磷在90℃溶于30mL浓硫酸中，加入7.2g石墨，80℃下搅拌4.5h，冷却至室温，用1500mL去离子水稀释，将所得的产物在室温下搅拌过夜。水洗至中性。

氧化：上述产物（预氧化石墨）和36g高锰酸钾加入到0℃的浓硫酸中，溶解后35℃下反应2h。加入去离子水终止反应。再加入30mL30%的过氧化氢，固体物水洗、离心，得到高浓度的氧化石墨。

2）羧甲基氰乙基纤维素与石墨烯复合材料的制备如下：

将0.1g氧化石墨分散在DMF溶剂中，超声分散8h，得到氧化石墨烯溶液。然后将2g羧甲基氰乙基纤维素溶于DMF中，完全溶解后缓慢倒入氧化石墨烯溶液中，搅拌12h。

流延成膜，将复合膜干燥。

将复合膜浸入HI中20s，取出，洗涤，干燥。重复6次即得羧甲基氰乙基纤维素与石墨烯复合材料。

用阻抗分析仪测得100Hz时介电常数为1860。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料的制备方法，其特征在于:具体步骤如下：

步骤一：氧化石墨的制备

预氧化：在80～100℃温度下，将过硫酸钾和五氧化二磷溶于20～30mL的浓硫酸中；再加入石墨，保持温度为80℃，搅拌，冷却至室温；用去离子水稀释；将所得的产物在室温下搅拌过夜；水洗至中性，得到预氧化石墨；

氧化：将预氧化石墨和高锰酸钾加入到-1℃～5℃的浓硫酸中溶解；溶解后升温至35℃，使混合物充分反应；加入去离子水终止反应；再加入过氧化氢，固体物水洗、离心，得到氧化石墨；

步骤二：含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合材料的制备

将氧化石墨分散在有机溶剂中，超声分散，得到氧化石墨烯溶液；然后将含氰基的纤维素衍生物溶于有机溶剂中溶解，再倒入氧化石墨烯溶液中，搅拌，得到含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合材料；

步骤三：将步骤二所得到含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合材料流延成膜；

步骤四：复合膜干燥

方法一、将步骤三所得的复合膜浸入氢碘酸(HI)溶液中10～60s后取出，洗涤，干燥；重复洗涤直到氧化石墨被还原，得到含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合膜；

方法二、将步骤三所得的复合膜浸入维生素C的水溶液中，60～80℃下使氧化石墨还原，得到含氰基的纤维素衍生物与石墨烯复合膜。

2.如权利要求1所述的一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料的制备方法，其特征在于:步骤二中所述有机溶剂的选择方法为：根据含氰基的纤维素衍生物的性质来选择有机溶剂，以达到二者充分互溶。

3.如权利要求1所述的一种含氰基的纤维素衍生物与石墨烯的复合材料的制备方法，其特征在于:步骤二中所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮、二氯甲烷、N,N-二甲基乙酰胺、吡啶、二甲基亚砜。