基于石墨烯碳纳米管网络的高导电弹性高分子复合材料

基于石墨烯/碳纳米管网络的高导电弹性高分子复合材料我们已经生产出高导电复合材料的柔性石墨烯/多壁碳纳米管所回填的一种预制凝胶和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。我们产品由1.3wt%的石墨烯/多壁碳纳米管填充,并能在100次重复拉伸20%和5000次弯曲之后电导率保持不变，仍可以达到2.8Scm1、因为具有吸引力的应用程序,比如智能服装、柔性显示、电子纺织品和电子皮肤，最近柔性导电材料已经受到了越来越多的关注。最近开发出一种由导电部件制造柔性导电材料的方法,如集成活跃一维(1D)多壁碳纳米管(米)和二维(2D)和一个单原子层石墨烯弹性基材。最近在三维(3D)混合碳纳米结构的研究表明,结合热合和石墨烯可能会显著提高聚合物复合材料的机械和电气性能。然而,高纵横比和强pp交互的石墨材料使他们很难独自分散一致。另一方面,即使这种色散问题解决了,正常的方法如喷涂或自组装制造石墨烯/聚合物矩阵MWCNT薄膜,仍然会导致石墨烯纳米结构在较低挥发的溶剂中发生重叠和聚合。为了克服这些限制,一个有趣的和有效的方法是合理构建基于石墨烯和热合的三维碳架构,旨在结合彼此的优势。使用气凝胶,预成型的多孔三维网络,由石墨烯和热合解决聚合问题。更重要的是,独特的电网络可以渗透矩阵并用弹性体制造可伸缩的导电复合材料。在这里,我们使用碳纳米颗粒(CNPs)在石墨材料中制造一个石墨烯/MWCNT三维导电网络,尤其是在近端纳米填料之间连接处,减少接触电阻纳米填料之间的粘合剂。随着导电网络与微孔空间的发展,建立石墨烯/MWCNT碳气凝胶(CA)支架可以回填与聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过真空辅助抽吸法获得高导电和可伸缩的聚合物复合材料。我们的t-MWCNT-graphene-CA电导率/PDMS复合非常高(当加载水平的热合石墨烯仅1.3wt%仍可达到2.8Scm1),通过溶液共混法展示一个改善超过4数量级比的graphene-MWCNT-PDMS复合准备。详细的实验过程已被提出。石墨烯氧化物(去)是由一个改进方法提出的。使用有机溶胶-凝胶化学方法，水溶性有机溶剂,间苯二酚和甲醛溶液被添加到酸洗的热合(t热合)和一个固定导电网络凝胶(t-MWCNT-GO-organic凝胶)中。在1000年后被freezedriedand正交1c,凝胶转化为碳气凝胶(CA)。t-MWCNT-graphene-CA(MGCA)是一个超轻和坚固的支架,可以回填PDMS并使用真空辅助抽吸法获得一个可伸缩的导电复合材料。石墨烯/MWCNT的气凝胶作为准备展品，分别演示了更好的机械和电气性能，与凝胶网络形成一个从纯热合或石墨烯,我们还准备了t-MWCNT-CA(MCA)和石墨烯ca(GCA)MGCA对比。数码照片的三气凝胶显示在图1(初始质量比在MGCA热合去为1:1((MMWCNTs:MGO=1:1))。塑胶制品的密度MCA,MGCA和GCA是45,40和48个毫克分每立方厘米。尽管所有的三气凝胶显示高度多孔三维网络结构的石墨材料(图1b和图S2†),这是至关重要的PDMSto渗透彻底,MGCA显示最健壮的机械性能。它可以支持10多300倍的重量是1.2和2.2大于MCA和甘氨胆酸。这可能是由于特殊的结构的MGCA制造从混合水溶液的热合多壁碳纳米管和石墨烯(MMWCNTs:MGO=1:1);在图1b和图c中。GO和MWCNT彼此一致,没有任何聚合。在这种情况下,二维表充当“固定板”的混合网络,可以使用“粘合剂”(CNPs)加强整个网络结构。此外,GO可以吸附和分散MWCNT,同样,也能避免tMWCNT叠加的减少GOsheets在水通过p堆积相互作用。在这里,我们推测,非共价吸附也存在于水分散液的均匀分布GO和tMWCNT。因此,与重叠和再保险凝聚在石墨烯薄片GCA(图S2b†),薄纱布像石墨烯薄片在MGCA均匀分布没有再保险叠加,见图1c。这可能是因为一个适度的tMWCNT吸收表面的石墨烯可以禁止再保险叠加的二维表。因此,MGCA结合石墨烯的优点和MWCNT导致最健壮的和稳定的框架与均匀分散的导电部件。我们还制备M1G2CA(MMWCNTs:GO=1:2)和M2G1CA(MMWCNTs:MGOs=2:1)来支持我们的假设。特定的结构和分析这些气凝胶是呈现图S3。M2G1CA†,许多纳米管表面吸收GO表由p堆积相互作用,因此,大量的2d切片嵌入在热合网络。对于M1G2CA,大量的GOs被吸附到纳米管包住的tMWCNT上。在这两种情况下,三维多孔网络由tMWCNT和石墨烯super-macropores展出。然后，我们填三个气凝胶MCA,GCA和MGCA（1:1）并通过真空辅助PDMS浸渍法和治愈他们，30分钟内获取最终的可伸缩的导电复合材料。Fe-sem图像的crosssectionsMGCA/聚二甲基硅氧烷复合膜(图2)表明,导电石墨烯/t-MWCNT网络仍完好无损,完全与PDMS融合了。这表示,在弹性体(PDMS)和导电组件(图2b)间存在良好的润滑,填充弹性体不引起任何可辨别的不均匀性在导电网络。因此,这种方法制造一个导电复合体，可以避免由于其它报道的制备工艺的隔离或聚合MWCNT和/或石墨烯在矩阵的麻烦。MCA/PDMS,GCA/PDMS和MGCA/PDMS复合膜通过使用一个机电万能试验机（见图3b）都延伸到一特定的位置，初始的电导率与零应变称为s0。规范化电气导率这些复合材料,s/s0为函数应用拉伸应变显示在图3,这说明他们所有的导率降低拉伸应变增加从0到30%。我们观察到E72%和E90%滴在s/s0为30%应变分别为MCA/PDMS和GCA/PDMS。这大概是由于随机取向碳纳米管或石墨烯薄片被迫一致通过压力沿着拉伸方向延伸,和“粘合剂”不是足够强大的系结分抵抗机械变形。因此大规模的互连导电部件之间发生不可控制力，导致大量接触网络损失。石墨烯/MWCNT的协同混合形成了MGCA/PDMS膜显著提高机械和电气性能的复合材料,只有E30%减少在s/s0为30%应变被发现,这还比不上MCA/PDMS和GCA/PDMS复合材料在5%应变。事实上,导电性保留率的MGCA/PDMS膜几乎是2.5和6.8倍于MCA/PDMS和GCA/PDMS薄膜在30%应变。更好的导电性保留能力的MGCA/PDMS主要是由于石墨烯的引入到热合网络,尤其是在近端纳米填料之间连接处,担任“固定板”的建设与粘结剂的导电网络。因此,结构更健壮的纳米管或石墨烯。此外,由于石墨烯片是可伸缩的一个二维层状结构,吸收,而彼此滑动过GO,仍然会接触导电板,从而在很大程度上降低导电通路中断。有趣的是,图3b表明,s/s0的MGCA/PDMS膜保持恒定在100周期的延伸周期为拉伸应变高达20%,大概是由于互连导电组件在网络中被禁用的PDMS23这样的纳米填料成倍的接触点可以恢复和放松的聚合物释放应变。同样,没有明显增加的后观察MGCA/PDMS膜弯曲曲率的6毫米,见图3c,这意味着3dMGCA网络弯曲变形后在PDMS矩阵中可以有效地保留其原始结构。这样的一个复合应用程序中应该做好弯曲和拉伸耐久性的需求,如电子纺织品、智能服装等等。总之,我们通过真空辅助抽吸法制备出了MCA,GCA、MGCA及相应的聚合物(PDMS)复合膜。MGCA的气凝胶,由石墨烯/多层碳纳米管相互贯穿所形成,具有独特的结构,赋予复合材料优异的机械性能及电性能。MGCA可以承受10300倍于自身的重量,这比MCA和GCA高出了1.2到2.2倍，而且，在30%的应变下，MGCA/PDMS的导电保留率比MCA/PDMS及GCA/PDMS膜将近高出2.6到6.8倍。此外,在含有1.3%质量分数的石墨烯/多层碳纳米管时，MGCA/PDMS膜的电导率仍可以高达2.8Scm-1，并能在100次20%形变重复拉伸及5000次弯曲后仍然保持形状不变。这使得MGCA/PDMS复合材料在许多有弯曲和拉伸耐久性要求的应用中极为有用。作者感谢中国国家自然科学基金(20925621、51173043、21136006,21236003),上海纳米技术特殊项目(12nm0502700),上海市曙光学者计划(10SG31),新世纪优秀人才计划(NCET-11-0641),和中央大学的基本的研究基金。