[发明专利]一种π键和共价键有序交联超强高导电石墨烯复合薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种π键和共价键有序交联超强高导电石墨烯复合薄膜的制备方法，将氧化石墨烯(GO)溶液经真空抽滤制得自支撑GO薄膜，然后将该GO薄膜浸泡于10,12‑二十五碳二炔‑1‑醇(PCO)溶液中进行化学交联，经过紫外光照和化学还原得到共价键交联的石墨烯(G‑PCO)复合薄膜，最后将该G‑PCO薄膜依次浸泡在1‑芘丁酸N‑羟基琥珀酰亚胺酯(PSE)和1‑氨基芘(AP)溶液中，制得π键和共价键有序交联的石墨烯(SBG)复合薄膜，获得SBG薄膜的最高拉伸强度为945MPa，相韧性为21MJ/m³，电导率为512S/cm。此外，该最优化的SBG薄膜具有超高的抗疲劳性能和优异的电磁屏蔽效能，例如，在500～580MPa的拉伸应力下，能耐受4.0×10⁵次周期性拉伸；对频率为0.3～12GHz的电磁波的屏蔽系数约为27dB。

技术领域

本发明涉及一种π键和共价键有序交联超强高导电石墨烯复合薄膜的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。

背景技术

轻质高强的碳纤维复合材料在汽车，航空航天等领域具有广泛的应用，但是其存在以下几方面的缺点：(1)碳纤维复合材料的力学性能是各项异性的；(2)碳纤维与聚合物基质之间容易分层而发生断裂；(3)碳纤维复合材料的电导率较低，不能满足实际应用的需求。因此，发展新型高性能纳米复合材料具有重要意义。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型蜂巢晶格的单原子厚度的层状薄膜，其具有超高的强度和电导率，已经成为组装高性能纳米复合材料的理想基元材料(Adv.Mater.2016,28,7862.)。因此，将石墨烯纳米片优异的物理性能转移到宏观纳米复合材料是科学家的一个研究热点。天然鲍鱼壳具有优异的力学性能，这主要是由于其有序的层状结构和丰富的多尺度界面作用(Nat.Rev.Mater.2016,1,16007.)。受此启发，在过去十年，科学家利用各种界面交联策略，制备了大量高性能的层状石墨烯纳米复合材料。例如，Liao等人利用氢键交联作用(Adv.Mater.2012,24,3426.)，制备了高强导电的石墨烯薄膜；石高全等人采用π-π共轭作用(J.Am.Chem.Soc.2008,130,5856.)，提高了还原氧化石墨烯(rGO)的层间强度；程群峰等人在石墨烯层间引入共价交联作用(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,3750.)，制备了高韧导电的石墨烯薄膜；Tsukruk等人基于石墨烯，纤维素纳米晶，以及聚乙烯亚胺之间的协同强韧作用(Adv.Mater.2016,28,1501.)，制备了超高刚度的石墨烯薄膜，其模量高达169GPa；程群峰等人利用共价键和氢键协同交联作用(ACS Nano 2015,9,9830.)，大幅提升了石墨烯薄膜的拉伸强度(526.7MPa)和韧性(17.7MJ/m³)；石高全等人在石墨烯层间引入氢键和π键协同交联作用(Adv.Mater.2014,26,7588.)，在提升其拉伸强度的同时，也保持了其优异的导电性能；最近石高全等人还利用纤维素纳米晶诱导的拓扑结构以及协同强韧效应(Adv.Mater.2017,29,1702831.)，制备了高强导电的石墨烯薄膜，其拉伸强度高达765MPa，导电率稍低于纯石墨烯薄膜，约为1105S/cm。尽管以上报道提高了石墨烯薄膜的某一项或某几项性能，如高力学强度、或高硬度、或高韧性、或高导电率，但是，同时大幅度提升石墨烯薄膜的力学性能和电学性能仍然是一个巨大挑战，因此需要开发新型界面交联策略。截至目前，还没有利用π键和共价键有序交联来制备超强高导电石墨烯复合薄膜的文献和专利报道。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种π键和共价键有序交联超强高导电石墨烯复合薄膜的制备方法，制得的薄膜不仅具有超高的拉伸强度和电导率，而且还具有优异的抗疲劳性能和电磁屏蔽效能。