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

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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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