一种石墨烯阻燃薄膜及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及功能材料领域，具体地，涉及一种石墨烯阻燃薄膜、一种制备石墨烯阻燃薄膜的方法以及由该方法制备得到的石墨烯阻燃薄膜、石墨烯阻燃薄膜作为阻燃材料的应用。
【背景技术】
[0002]近年以来，有关石墨烯的研究得到了广泛的关注。石墨烯是一种由碳原子以Sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面结构，只有一个碳原子厚度的二维材料。由于其具有高导电性、高比表面积、高导热性和优异的机械性能，使得石墨烯被广泛应用于超级电容器、锂离子电池、电子元件、存储器件、防腐蚀涂层、吸波材料等领域。
[0003]然而，现有的石墨烯材料很难耐受火灾的考验，石墨烯的阻燃性有待提高。
[0004]在现有公开的专利申请中，石墨烯一般作为阻燃助剂添加到聚合物等材料中以提高其阻燃性能。目前，对石墨烯本身作为阻燃材料的研究比较少，Jong-Beom Baek报道了利用石墨和红磷混合球磨法制备的含有磷酸的石墨烯有较好的阻燃性。但制备出的含有磷酸的阻燃石墨烯主要以粉体形式存在，要得到形貌可控的石墨烯阻燃产品仍然比较困难;而且，该材料在空气中的热稳定性较差，在600°C空气中的残留量仅有30 %左右。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术存在的石墨烯阻燃材料在空气中的热稳定性差，具体地，在600°C空气中的残留量少、形变大的缺陷，提供一种热稳定性好、阻燃性能好、形变小且在600°C空气中的残留量大的石墨烯阻燃薄膜。
[0006]第一方面，本发明提供一种石墨烯阻燃薄膜，该石墨烯阻燃薄膜中含有阻燃剂和石墨烯，以所述石墨烯阻燃薄膜的总量为基准，所述阻燃剂的含量为3-45重量％，所述石墨烯的含量为55-97重量％，且所述石墨烯阻燃薄膜的平均厚度为1-100微米。
[0007]第二方面，本发明提供一种制备石墨烯阻燃薄膜的方法，该方法包括:
[0008](I)在溶剂存在下，将氧化石墨烯与阻燃剂进行接触，得到溶液A;
[0009](2)将所述溶液A涂覆在基板上并进行干燥；
[0010](3)将经过步骤(2)得到的产物进行还原；
[0011]其中，所述氧化石墨烯与所述阻燃剂的用量使得经过步骤(3)还原后得到的石墨烯阻燃薄膜中的所述阻燃剂的含量为3-45重量％，所述石墨烯的含量为55-97重量％。
[0012]第三方面，本发明提供由前述方法制备得到的石墨烯阻燃薄膜。
[0013]第四方面，本发明提供前述石墨烯阻燃薄膜作为阻燃材料的应用。
[0014]本发明提供的所述石墨烯阻燃薄膜热稳定性好、阻燃性能好、形变小且在600°C空气中的残留量大。具体地，本发明提供的所述石墨烯阻燃薄膜在600°C空气中能够保持270%的质量并维持原有的形状。
[0015]本发明的其它特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0016]附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0017]图1是实施例1制备得到的石墨烯阻燃薄膜Ml的X射线粉末衍射图。
[0018]图2是实施例1制备得到的石墨烯阻燃薄膜Ml与石墨烯薄膜的热重分析图。
【具体实施方式】
[0019]以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0020]第一方面，本发明提供了一种石墨烯阻燃薄膜，该石墨烯阻燃薄膜中含有阻燃剂和石墨烯，以所述石墨烯阻燃薄膜的总量为基准，所述阻燃剂的含量为3-45重量％，所述石墨烯的含量为55-97重量％，且所述石墨烯阻燃薄膜的平均厚度为1-100微米。
[0021]本发明提供的上述石墨烯阻燃薄膜可以作为独立的阻燃产品使用。
[0022]优选地，以所述石墨烯阻燃薄膜的总量为基准，所述阻燃剂的含量为8-35重量％，所述石墨稀的含量为65-92重量％。
[0023]更加优选地，所述石墨烯阻燃薄膜的平均厚度为5-50微米。
[0024]优选地，所述阻燃剂选自氮系阻燃剂和磷系阻燃剂中的至少一种;优选地，所述阻燃剂选自六氯环三聚磷腈、三聚氰胺和磷酸三苯酯中的至少一种;更加优选地，所述阻燃剂为六氯环三聚磷腈。本发明的发明人发现，采用六氯环三聚磷腈作为本发明的阻燃剂与所述石墨烯进行配合使用时，制备得到的石墨烯阻燃薄膜的阻燃性能更好，且在600°C空气中的残留量更大。
[0025]根据一种优选的【具体实施方式】，在本发明所述的石墨烯阻燃薄膜中含有石墨烯和作为阻燃剂的六氯环三聚磷腈，以所述石墨烯阻燃薄膜的总量为基准，所述六氯环三聚磷腈的含量为8-35重量％，所述石墨稀的含量为65-92重量％。本发明的发明人发现，米用本发明的这种【具体实施方式】的技术方案得到的石墨烯阻燃薄膜的阻燃性能以及在600°C空气中的残留量均能够达到最优。
[0026]第二方面，本发明提供了一种制备石墨烯阻燃薄膜的方法，该方法包括:
[0027](I)在溶剂存在下，将氧化石墨烯与阻燃剂进行接触，得到溶液A;
[0028](2)将所述溶液A涂覆在基板上并进行干燥；
[0029](3)将经过步骤(2)得到的产物进行还原；
[0030]其中，所述氧化石墨烯与所述阻燃剂的用量使得经过步骤(3)还原后得到的石墨烯阻燃薄膜中的所述阻燃剂的含量为3-45重量％，所述石墨烯的含量为55-97重量％。
[0031]优选地，所述氧化石墨烯与所述阻燃剂的用量使得经过步骤(3)还原后得到的石墨烯阻燃薄膜中的所述阻燃剂的含量为8-35重量％，所述石墨烯的含量为65-92重量％。
[0032]优选地，在步骤(2)中，控制所述溶液A涂覆在基板上的厚度，使得经过步骤(3)还原后得到的石墨烯阻燃薄膜的平均厚度为1-100微米;更加优选使得所述石墨烯阻燃薄膜的平均厚度为5-50微米。
[0033]对所述基板的种类没有特别的要求，例如可以为玻璃等。本发明的所述基板仅是为了提供一个能够获得所述薄膜的场所。
[0034]本领域技术人员可以根据本发明的前述限定以及本领域的公知常识确定在制备石墨烯阻燃薄膜的方法的步骤(I)中氧化石墨烯与阻燃剂的用量。优选情况下，在所述制备石墨烯阻燃薄膜的方法中，在步骤(I)中，相对于每克重量的氧化石墨烯，所述阻燃剂的用量为0.05-0.7克。
[0035]在所述制备石墨烯阻燃薄膜的方法中，所述氧化石墨烯通常为溶液形式，例如可以为氧化石墨烯水溶液、氧化石墨烯的四氢呋喃溶液、氧化石墨烯的N，N-二甲基甲酰胺的溶液等。
[0036]在所述制备石墨烯阻燃薄膜的方法中，在步骤(I)中，所述氧化石墨烯可以通过商购得到，也可以采用本领域内公知的各种方法制备得到。例如可以采用化学氧化石墨法(Hummers法)、修饰的Hummers法制备氧化石墨稀。本发明的制备例中示例性地采用化学氧化石墨法制备氧化石墨烯。
[0037]优选地，在步骤(I)中，所述阻燃剂选自氮系阻燃剂和磷系阻燃剂中的至少一种；优选地，所述阻燃剂选自六氯环三聚磷腈、三聚氰胺和磷酸三苯酯中的至少一种;更加优选地，所述阻燃剂为六氯环三聚磷腈。
[0038]优选地，所述溶剂选自N，N_ 二甲基甲酰胺、水和四氢呋喃中的至少一种。所述水优选为蒸馏水或去离子水。
[0039]更加优选情况下，在所述制备石墨烯阻燃薄膜的方法中，在步骤(I)中，所述氧化石墨烯为采用本发明的前述方法制备得到的氧化石墨烯溶液，且所述阻燃剂在与所述氧化石墨烯接触之前，先溶于溶剂(例如N，N_二甲基甲酰胺)中。也就是说，本发明优选所述“在溶剂存在下，将氧化石墨烯与阻燃剂进行接触”的步骤为:将氧化石墨烯溶液与含有阻燃剂的溶液进行接触。本发明对所述氧化石墨烯溶液的浓度，以及对含有阻燃剂的溶液的浓度均没有特别的限制，本领域技术人员可以根据本领域的常规技术手段以及需要得到的石墨烯阻燃薄膜的组成及其含量调节所述氧化石墨烯溶液的浓度和含有阻燃剂的溶液的浓度。例如，所述氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯的浓度可以为0.5-8mg/mL，所述含有阻燃剂的溶液中的阻燃剂的浓度可以为1-30mg/mL。
[0040]优选地，在步骤(2)中，所述干燥的条件包括:温度为30-60°C，时间为24-72h。
[0041]优选地，在步骤(3)中，所述还原的条件包括:温度为300-1000°C，时间为5-500mino
[0042]优选地，在所述制备石墨烯阻燃薄膜的方法中，在步骤(3)中，所述还原可以在例如空气、氮气或氦气等气氛中进行。
[0043]第三方面，本发明提供了由前述方法制备得到的石墨烯阻燃薄膜。
[0044]第四方面，本发明提供了前述石墨烯阻燃薄膜作为阻燃材料的应用。
[0045]本发