一種石墨烯阻燃薄膜及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功能材料領(lǐng)域，具體地，涉及一種石墨烯阻燃薄膜、一種制備石墨烯阻燃薄膜的方法以及由該方法制備得到的石墨烯阻燃薄膜、石墨烯阻燃薄膜作為阻燃材料的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年以來，有關(guān)石墨烯的研究得到了廣泛的關(guān)注。石墨烯是一種由碳原子以Sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面結(jié)構(gòu)，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。由于其具有高導(dǎo)電性、高比表面積、高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的機(jī)械性能，使得石墨烯被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器、鋰離子電池、電子元件、存儲(chǔ)器件、防腐蝕涂層、吸波材料等領(lǐng)域。
[0003]然而，現(xiàn)有的石墨烯材料很難耐受火災(zāi)的考驗(yàn)，石墨烯的阻燃性有待提高。
[0004]在現(xiàn)有公開的專利申請(qǐng)中，石墨烯一般作為阻燃助劑添加到聚合物等材料中以提高其阻燃性能。目前，對(duì)石墨烯本身作為阻燃材料的研究比較少，Jong-Beom Baek報(bào)道了利用石墨和紅磷混合球磨法制備的含有磷酸的石墨烯有較好的阻燃性。但制備出的含有磷酸的阻燃石墨烯主要以粉體形式存在，要得到形貌可控的石墨烯阻燃產(chǎn)品仍然比較困難;而且，該材料在空氣中的熱穩(wěn)定性較差，在600°C空氣中的殘留量僅有30 %左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的石墨烯阻燃材料在空氣中的熱穩(wěn)定性差，具體地，在600°C空氣中的殘留量少、形變大的缺陷，提供一種熱穩(wěn)定性好、阻燃性能好、形變小且在600°C空氣中的殘留量大的石墨烯阻燃薄膜。
[0006]第一方面，本發(fā)明提供一種石墨烯阻燃薄膜，該石墨烯阻燃薄膜中含有阻燃劑和石墨烯，以所述石墨烯阻燃薄膜的總量為基準(zhǔn)，所述阻燃劑的含量為3-45重量％，所述石墨烯的含量為55-97重量％，且所述石墨烯阻燃薄膜的平均厚度為1-100微米。
[0007]第二方面，本發(fā)明提供一種制備石墨烯阻燃薄膜的方法，該方法包括:
[0008](I)在溶劑存在下，將氧化石墨烯與阻燃劑進(jìn)行接觸，得到溶液A;
[0009](2)將所述溶液A涂覆在基板上并進(jìn)行干燥；
[0010](3)將經(jīng)過步驟(2)得到的產(chǎn)物進(jìn)行還原；
[0011]其中，所述氧化石墨烯與所述阻燃劑的用量使得經(jīng)過步驟(3)還原后得到的石墨烯阻燃薄膜中的所述阻燃劑的含量為3-45重量％，所述石墨烯的含量為55-97重量％。
[0012]第三方面，本發(fā)明提供由前述方法制備得到的石墨烯阻燃薄膜。
[0013]第四方面，本發(fā)明提供前述石墨烯阻燃薄膜作為阻燃材料的應(yīng)用。
[0014]本發(fā)明提供的所述石墨烯阻燃薄膜熱穩(wěn)定性好、阻燃性能好、形變小且在600°C空氣中的殘留量大。具體地，本發(fā)明提供的所述石墨烯阻燃薄膜在600°C空氣中能夠保持270%的質(zhì)量并維持原有的形狀。
[0015]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0016]附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的【具體實(shí)施方式】一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0017]圖1是實(shí)施例1制備得到的石墨烯阻燃薄膜Ml的X射線粉末衍射圖。
[0018]圖2是實(shí)施例1制備得到的石墨烯阻燃薄膜Ml與石墨烯薄膜的熱重分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0020]第一方面，本發(fā)明提供了一種石墨烯阻燃薄膜，該石墨烯阻燃薄膜中含有阻燃劑和石墨烯，以所述石墨烯阻燃薄膜的總量為基準(zhǔn)，所述阻燃劑的含量為3-45重量％，所述石墨烯的含量為55-97重量％，且所述石墨烯阻燃薄膜的平均厚度為1-100微米。
[0021]本發(fā)明提供的上述石墨烯阻燃薄膜可以作為獨(dú)立的阻燃產(chǎn)品使用。
[0022]優(yōu)選地，以所述石墨烯阻燃薄膜的總量為基準(zhǔn)，所述阻燃劑的含量為8-35重量％，所述石墨稀的含量為65-92重量％。
[0023]更加優(yōu)選地，所述石墨烯阻燃薄膜的平均厚度為5-50微米。
[0024]優(yōu)選地，所述阻燃劑選自氮系阻燃劑和磷系阻燃劑中的至少一種;優(yōu)選地，所述阻燃劑選自六氯環(huán)三聚磷腈、三聚氰胺和磷酸三苯酯中的至少一種;更加優(yōu)選地，所述阻燃劑為六氯環(huán)三聚磷腈。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，采用六氯環(huán)三聚磷腈作為本發(fā)明的阻燃劑與所述石墨烯進(jìn)行配合使用時(shí)，制備得到的石墨烯阻燃薄膜的阻燃性能更好，且在600°C空氣中的殘留量更大。
[0025]根據(jù)一種優(yōu)選的【具體實(shí)施方式】，在本發(fā)明所述的石墨烯阻燃薄膜中含有石墨烯和作為阻燃劑的六氯環(huán)三聚磷腈，以所述石墨烯阻燃薄膜的總量為基準(zhǔn)，所述六氯環(huán)三聚磷腈的含量為8-35重量％，所述石墨稀的含量為65-92重量％。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，米用本發(fā)明的這種【具體實(shí)施方式】的技術(shù)方案得到的石墨烯阻燃薄膜的阻燃性能以及在600°C空氣中的殘留量均能夠達(dá)到最優(yōu)。
[0026]第二方面，本發(fā)明提供了一種制備石墨烯阻燃薄膜的方法，該方法包括:
[0027](I)在溶劑存在下，將氧化石墨烯與阻燃劑進(jìn)行接觸，得到溶液A;
[0028](2)將所述溶液A涂覆在基板上并進(jìn)行干燥；
[0029](3)將經(jīng)過步驟(2)得到的產(chǎn)物進(jìn)行還原；
[0030]其中，所述氧化石墨烯與所述阻燃劑的用量使得經(jīng)過步驟(3)還原后得到的石墨烯阻燃薄膜中的所述阻燃劑的含量為3-45重量％，所述石墨烯的含量為55-97重量％。
[0031]優(yōu)選地，所述氧化石墨烯與所述阻燃劑的用量使得經(jīng)過步驟(3)還原后得到的石墨烯阻燃薄膜中的所述阻燃劑的含量為8-35重量％，所述石墨烯的含量為65-92重量％。
[0032]優(yōu)選地，在步驟(2)中，控制所述溶液A涂覆在基板上的厚度，使得經(jīng)過步驟(3)還原后得到的石墨烯阻燃薄膜的平均厚度為1-100微米;更加優(yōu)選使得所述石墨烯阻燃薄膜的平均厚度為5-50微米。
[0033]對(duì)所述基板的種類沒有特別的要求，例如可以為玻璃等。本發(fā)明的所述基板僅是為了提供一個(gè)能夠獲得所述薄膜的場(chǎng)所。
[0034]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的前述限定以及本領(lǐng)域的公知常識(shí)確定在制備石墨烯阻燃薄膜的方法的步驟(I)中氧化石墨烯與阻燃劑的用量。優(yōu)選情況下，在所述制備石墨烯阻燃薄膜的方法中，在步驟(I)中，相對(duì)于每克重量的氧化石墨烯，所述阻燃劑的用量為0.05-0.7克。
[0035]在所述制備石墨烯阻燃薄膜的方法中，所述氧化石墨烯通常為溶液形式，例如可以為氧化石墨烯水溶液、氧化石墨烯的四氫呋喃溶液、氧化石墨烯的N，N-二甲基甲酰胺的溶液等。
[0036]在所述制備石墨烯阻燃薄膜的方法中，在步驟(I)中，所述氧化石墨烯可以通過商購得到，也可以采用本領(lǐng)域內(nèi)公知的各種方法制備得到。例如可以采用化學(xué)氧化石墨法(Hummers法)、修飾的Hummers法制備氧化石墨稀。本發(fā)明的制備例中示例性地采用化學(xué)氧化石墨法制備氧化石墨烯。
[0037]優(yōu)選地，在步驟(I)中，所述阻燃劑選自氮系阻燃劑和磷系阻燃劑中的至少一種；優(yōu)選地，所述阻燃劑選自六氯環(huán)三聚磷腈、三聚氰胺和磷酸三苯酯中的至少一種;更加優(yōu)選地，所述阻燃劑為六氯環(huán)三聚磷腈。
[0038]優(yōu)選地，所述溶劑選自N，N_ 二甲基甲酰胺、水和四氫呋喃中的至少一種。所述水優(yōu)選為蒸餾水或去離子水。
[0039]更加優(yōu)選情況下，在所述制備石墨烯阻燃薄膜的方法中，在步驟(I)中，所述氧化石墨烯為采用本發(fā)明的前述方法制備得到的氧化石墨烯溶液，且所述阻燃劑在與所述氧化石墨烯接觸之前，先溶于溶劑(例如N，N_二甲基甲酰胺)中。也就是說，本發(fā)明優(yōu)選所述“在溶劑存在下，將氧化石墨烯與阻燃劑進(jìn)行接觸”的步驟為:將氧化石墨烯溶液與含有阻燃劑的溶液進(jìn)行接觸。本發(fā)明對(duì)所述氧化石墨烯溶液的濃度，以及對(duì)含有阻燃劑的溶液的濃度均沒有特別的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)手段以及需要得到的石墨烯阻燃薄膜的組成及其含量調(diào)節(jié)所述氧化石墨烯溶液的濃度和含有阻燃劑的溶液的濃度。例如，所述氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯的濃度可以為0.5-8mg/mL，所述含有阻燃劑的溶液中的阻燃劑的濃度可以為1-30mg/mL。
[0040]優(yōu)選地，在步驟(2)中，所述干燥的條件包括:溫度為30-60°C，時(shí)間為24-72h。
[0041]優(yōu)選地，在步驟(3)中，所述還原的條件包括:溫度為300-1000°C，時(shí)間為5-500mino
[0042]優(yōu)選地，在所述制備石墨烯阻燃薄膜的方法中，在步驟(3)中，所述還原可以在例如空氣、氮?dú)饣蚝獾葰夥罩羞M(jìn)行。
[0043]第三方面，本發(fā)明提供了由前述方法制備得到的石墨烯阻燃薄膜。
[0044]第四方面，本發(fā)明提供了前述石墨烯阻燃薄膜作為阻燃材料的應(yīng)用。
[0045]本發(fā)