劉雪嬌，楊琳，唐瀾，張力平

（北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083）

聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的制備與表征

劉雪嬌，楊琳，唐瀾，張力平

（北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083）

利用真空抽濾方法，制備了納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電膜，將其嵌在聚乳酸表面得到聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜。傅里葉紅外（FT-IR）表征結(jié)果表明石墨烯與納米纖維素之間存在一定的相互作用；當(dāng)納米纖維素與石墨烯質(zhì)量比為1：2時(shí)，導(dǎo)電復(fù)合膜的電導(dǎo)率為12 S·cm-1，抗張強(qiáng)度達(dá)到13.62 MPa，水接觸角為80.6°。熱重分析（TGA）表征結(jié)果表明導(dǎo)電復(fù)合膜有良好的熱穩(wěn)定性，300℃時(shí)不同質(zhì)量比的導(dǎo)電復(fù)合膜的失重量低于10%，相比納米纖維素，在相同溫度下失重量減少了20%。以聚乳酸材料為基體的導(dǎo)電復(fù)合膜，其抗張強(qiáng)度比未被嵌聚乳酸基體的納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電膜提高15～23倍，將聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜埋在土壤中5周后，質(zhì)量損失了 3.7%。聚乳酸材料優(yōu)異的力學(xué)性能和可降解性，擴(kuò)展了納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的應(yīng)用范圍。制備的導(dǎo)電復(fù)合膜在柔性導(dǎo)電材料領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。

石墨烯；納米纖維素；聚乳酸；可降解性；柔性導(dǎo)電材料；復(fù)合材料；制備；生物質(zhì)

引 言

隨著電子行業(yè)、計(jì)算機(jī)行業(yè)及能源行業(yè)等高科技的發(fā)展，社會(huì)對(duì)新型導(dǎo)電材料的需求不斷增加[1]，尤其是可穿戴設(shè)備的興起使得柔性導(dǎo)電材料逐漸成為研究的熱點(diǎn)[2]。傳統(tǒng)的電極材料主要是金屬，因金屬材料本身不具有柔性，在拉伸過程中易于發(fā)生斷裂而失效，無法滿足柔性導(dǎo)電材料的發(fā)展需求。而納米碳材料石墨烯兼具良好的柔性和優(yōu)異的導(dǎo)電性能[3-5]，它是由碳原子六角結(jié)構(gòu)（蜂窩格子狀）緊密排列而成，是由一層sp2 雜化的碳原子構(gòu)成的二維材料，這種特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了其還具有優(yōu)異的力學(xué)性能、光學(xué)性能和熱學(xué)性能[6-8]，使其在柔性導(dǎo)電材料領(lǐng)域顯示出極為誘人的應(yīng)用前景[9]。為了更好地利用石墨烯的這些特性，使其獲得更加廣泛的應(yīng)用，首先需要解決其剛度大、不易加工成型的問題。由纖維素制備出的納米纖維素，具有高純度、高親水性、高結(jié)晶度等優(yōu)越特性，同時(shí)，還賦予其納米粒子屬性，如較大的比表面積、較高的反應(yīng)活性、優(yōu)良的力學(xué)性能、光電效應(yīng)以及納米尺寸效應(yīng)，可以和石墨烯形成CH-π相互作用[10-11]、靜電相互作用[12]。

通常將導(dǎo)電材料與聚合物通過溶液共混的方式制備得到導(dǎo)電復(fù)合膜，但導(dǎo)電復(fù)合膜的導(dǎo)電性與導(dǎo)電材料在聚合物中的分散性有著直接的聯(lián)系，Vadukumpully 等[13]通過溶液共混法制備了石墨烯/聚氯乙烯復(fù)合材料，他們發(fā)現(xiàn) 6.47%（體積）的石墨烯基復(fù)合材料電導(dǎo)率達(dá)到最大值 0.058 S·cm-1。然而該方法需要使用昂貴的分散液并且不能得到單層石墨烯分散液[14]。陳志昌等[15]通過物理共混與超聲相結(jié)合的方法制備了石墨烯/聚乳酸復(fù)合膜，添加0.5%的石墨烯時(shí)，電阻值數(shù)量級(jí)可達(dá) 104，雖然比純的聚乳酸（電阻值數(shù)量級(jí)1016）降低了12個(gè)數(shù)量級(jí)，但電阻值仍然很大。本文將石墨烯與納米纖維素作為導(dǎo)電復(fù)合膜的導(dǎo)電材料，并將其嵌在高聚物膜基材料表面。常用的高聚物膜基材有聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN) 和聚萘二甲酸乙二醇酯(PC)[16-17]。這些高聚物膜基材具有一定柔韌性，但加工溫度低、熱膨脹系數(shù)高、難以生物降解與循環(huán)再生等這些缺陷限制了其應(yīng)用。尋找一種電化學(xué)穩(wěn)定、力學(xué)性能優(yōu)良、廉價(jià)、綠色并可再生的新型柔性膜基體材料顯得尤為重要。聚乳酸作為一種綠色能源具有良好的生物降解性、生物相容性，并且聚乳酸有著極為優(yōu)異的力學(xué)性能，是熱塑性材料。它的抗拉強(qiáng)度非常優(yōu)異，同時(shí)也具有較好的延展度[18-19]。利用其作為整個(gè)材料的基體，可以大大提高材料的抗張強(qiáng)度并使材料表現(xiàn)出優(yōu)異的可降解性。由此所制得的三者復(fù)合材料具有較好的導(dǎo)電性能、力學(xué)性能、熱學(xué)性能及環(huán)保特性，在可穿戴設(shè)備、柔性顯示、觸摸屏、柔性印制電子及超級(jí)電容器等電子領(lǐng)域有著其他材料無法比擬的優(yōu)勢[20]。

本文采用真空抽濾的方式制備了納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電膜，并將其嵌入在聚乳酸基體表面得到聚乳酸基導(dǎo)電復(fù)合膜（圖 1）。與常用的共混方法制備導(dǎo)電膜材料的工藝[21]相比，該工藝制備簡單，節(jié)約能源，更重要的是最大程度地發(fā)揮石墨烯、納米纖維素和聚乳酸三者的優(yōu)良性能。本研究為今后開發(fā)新型可降解的柔性高性能導(dǎo)電復(fù)合材料提供了一種較為新穎的思路?；谠摲N導(dǎo)電復(fù)合膜的多種特性，使其在柔性導(dǎo)電穿戴設(shè)備、柔性電極、柔性電容器和生物傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖1 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜（CGP）的制備過程Fig.1 Schematic illustrations of fabrication processes for CGP(a) cellulose nanofibers/DMAc suspension; (b) TEM images of cellulose nanofibers; (c),(d) surface of cellulose nanofibers/ grapheme and PLA;(e) image of flexible conductive composite membrane (CGP); (f) image of electrical pathways presentation of CGP

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

纖維素漿板：購于山東華泰公司；物理法單層石墨烯（graphene）：蘇州碳豐科技公司；聚乳酸（PLA）：分子式為(C3H4O2)n，分析純，購于上海易生實(shí)業(yè)有限公司；N,N-二甲基乙酰胺（DMAc），濃硫酸[98%（質(zhì)量）]：分析純，購于北京化工廠；聚偏氟乙烯（PVDF）有機(jī)系微孔濾膜，直徑50 mm，孔徑 0.22 μm，上海密粒分離技術(shù)有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 分析測試儀器

傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），Tensor型，德國Bruker公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，S-3000n型，日本 HITACHI公司；熱重分析儀（TGA），SHIMADZU TGA-60型，日本島津公司；四探針電阻測試儀，ST2258C型，蘇州晶格點(diǎn)子有限公司；電腦測控抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)，CP-KZ30型，長江造紙儀器有限責(zé)任公司；視頻光學(xué)接觸測儀，OCAH200型，德國 Dataphysics 公司。

1.3 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜制備

1.3.1 納米纖維素制備 稱量一定質(zhì)量的纖維素漿板，然后配制一定體積的稀硫酸溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%）；并將稀硫酸溶液、纖維素漿板依次倒入三口燒瓶中，在85℃恒溫水浴條件下攪拌 4 h；攪拌結(jié)束后，將纖維素水解液轉(zhuǎn)移至布氏漏斗中抽濾，用去離子水反復(fù)洗滌纖維素水解液以去除纖維素表面的氫離子和硫酸根離子，直至水洗液成中性為止；采取溶液置換法將纖維素水解液轉(zhuǎn)移到N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）溶液中；使用高壓均質(zhì)機(jī)處理上述的纖維素/DMAc分散液，壓力為800 MPa，將纖維素/DMAc 分散液通過高壓均質(zhì)機(jī) 10次。經(jīng)過上述步驟后，得到納米纖維素/DMAc 分散液[22]。

1.3.2 納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電膜制備 在納米纖維素/ DMAc 分散液中按不同質(zhì)量比加入一定量的石墨烯粉末(石墨烯粉末與納米纖維素的總質(zhì)量一定）。室溫下超聲處理，處理?xiàng)l件為100 W，時(shí)間為4 h。得到的混合液用有機(jī)系微孔濾膜真空抽濾成膜，取下抽濾得到的膜狀材料，并將有機(jī)系微孔濾膜與之分離，在室溫下12 h使納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電膜干燥成型。所制備的納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電膜標(biāo)記為CG1、CG2、CG3、CG4和CG5，分別代表納米纖維素與石墨烯的質(zhì)量比為（1：3,1：2,1：1,2：1,5：1）。

1.3.3 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜制備 將一定質(zhì)量的聚乳酸溶解在 DMAc溶劑中形成 0.1 g·ml-1的聚乳酸溶解液；將上述所制備的不同質(zhì)量比的納米纖維素/石墨烯復(fù)合膜鋪于玻璃板上；再將一定量聚乳酸溶液（聚乳酸與石墨烯納米纖維素之和的質(zhì)量比為 5：1）嵌在納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜之上，將玻璃板置于電加熱板上 85℃，1 h，蒸發(fā)掉多余溶劑，使聚乳酸固化成型，將導(dǎo)電復(fù)合膜從玻璃板上取下，室溫12 h，確保DMAc溶劑完全揮發(fā)。按照上述方法便獲得聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜，標(biāo)記為CGP1、CGP2、CGP3、CGP4和CGP5，分別代表納米纖維素與石墨烯的質(zhì)量比為（1：3,1：2,1：1,2：1,5：1）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的傅里葉紅外光譜表征

圖2 納米纖維素、石墨烯、CGP5、CGP2的紅外譜圖Fig.2 FT-IR spectra of cellulose nanofibers,graphene,CGP5 and CGP2

圖2為納米纖維素（cellulose nanofibers）、石墨烯(graphene)、聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜（CGP2，CGP5）的紅外譜圖。從圖2可以看出，石墨烯無明顯特征峰，證明純石墨烯表面幾乎沒有官能團(tuán)，與之前報(bào)道過的結(jié)論一致[23-24]；從納米纖維素的紅外光譜中可知3400和2900 cm-1處的特征峰分別歸屬于羥基 O—H和C—H的伸縮振動(dòng)峰[25]；而導(dǎo)電復(fù)合膜CGP2和CGP5的吸收峰與納米纖維素的吸收峰相似，只是在加入石墨烯后，位于 3400 cm-1處的特征峰向低波長移動(dòng)至 3300 cm-1處，并且特征峰變得更加尖銳。石墨烯的添加對(duì)納米纖維素的—OH振動(dòng)峰產(chǎn)生了影響[26]，可能是由于石墨烯與納米纖維素之間存在一定的相互作用[27]，進(jìn)而表明石墨烯與納米纖維素之間只是簡單的物理復(fù)合，并沒有破壞石墨烯表面，使石墨烯依舊保持良好的導(dǎo)電性；但隨著石墨烯添加量的增多，CGP5的吸收峰強(qiáng)度減弱，可能是由于隨著石墨烯添加量的增多，石墨烯之間開始堆疊，石墨烯的吸收峰將納米纖維素的吸收峰掩蓋，導(dǎo)致納米纖維素的吸收峰變?nèi)?。而且從圖3中也可以看出隨著石墨烯添加量的增多，導(dǎo)電復(fù)合膜表面存在著大量的石墨烯片層。

2.2 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的形貌特征

圖3為聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜（CGP）表面及斷面SEM 圖片，從圖3（a）～（g）可知CGP的表面粗糙。隨著導(dǎo)電復(fù)合膜中石墨烯的添加量增大，導(dǎo)電復(fù)合膜表面有層狀石墨烯出現(xiàn)，當(dāng)納米纖維素與石墨烯比例為 1：3時(shí)[圖 3（e）]，表面出現(xiàn)斷裂斷層，可能是由于當(dāng)石墨烯添加量逐漸增大時(shí)，石墨烯開始團(tuán)聚堆疊，阻礙納米纖維素分子鏈與石墨烯的相互纏繞，使其表面出現(xiàn)斷裂斷層。圖3（h）為納米纖維素與石墨烯質(zhì)量比為 1：2（CGP2）導(dǎo)電復(fù)合膜斷面 SEM 照片，從圖片中可以清晰地看到致密的納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電層和幾十微米厚的聚乳酸基體，依靠著聚乳酸基體良好的力學(xué)性能，聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜具有良好的柔性[28]。

2.3 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性

石墨烯(graphene)、納米纖維素（cellulose nanofibers）和不同質(zhì)量比的聚乳酸基納米纖維素/石墨烯(CGP1、CGP2、CGP3、CGP4和CGP5)導(dǎo)電復(fù)合膜的熱重分析曲線見圖 4，在不同溫度下由圖可知，石墨烯粉末在 600℃前幾乎沒有質(zhì)量損失，證明石墨烯具有良好的熱穩(wěn)定性。而納米纖維素總共有兩個(gè)明顯的失重，第1個(gè)失重發(fā)生在250～350℃之間，這主要由于納米纖維素失水，第2個(gè)失重發(fā)生在420～550℃之間，這主要是因?yàn)榧{米纖維素的大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，發(fā)生大分子骨架的斷裂分解。通過納米纖維素和導(dǎo)電復(fù)合膜的TG/DTG對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，導(dǎo)電復(fù)合膜的起始分解溫度為 280℃左右，相比納米纖維素約提高50℃。導(dǎo)電復(fù)合膜大部分在350℃時(shí)分解速率達(dá)到最大值，高于納米纖維素的最大降解速率溫度(310℃)，CGP1的導(dǎo)電復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性提高尤為明顯，最大降解速率溫度為375℃。在300℃左右時(shí)納米纖維素失去了 30%的質(zhì)量，導(dǎo)電復(fù)合膜在相同溫度下失去的質(zhì)量均降低不到 10%。表明提高石墨烯的質(zhì)量比將改善導(dǎo)電復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性。

圖3 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的掃描電鏡圖Fig.3 SEM micrographs of CGP(a),(b),(c),(d),(e) SEM images of top surfaces of CGP5,CGP4,CGP3,CGP2,CGP1; (f),(g)—higher magnified SEM images of top surfaces of CGP5 and CGP2; (h) SEM image of cross-sectional of CGP2

2.4 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的抗張強(qiáng)度

圖5為聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜（CGP）和納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜（CG）的抗張力強(qiáng)度測試結(jié)果，可以看出以CGP（藍(lán)線）的抗張強(qiáng)度比 CG（黑線）明顯增強(qiáng)，原因是聚乳酸本身具有良好的力學(xué)性能，以其作為基體可使復(fù)合膜的抗張強(qiáng)度約增強(qiáng)15～23倍，CGP5的抗張強(qiáng)度達(dá)15.23 MPa，對(duì)比文獻(xiàn)，Kang等[29]通過超聲分散和真空抽濾的方法制備了纖維素纖維/石墨烯納米紙薄片，測得抗張強(qiáng)度也僅為2.3 MPa，可見，聚乳酸基體對(duì)于導(dǎo)電復(fù)合膜抗張強(qiáng)度的提升起著明顯作用；從圖可知隨著提高納米纖維素在導(dǎo)電復(fù)合膜中的比例，導(dǎo)電復(fù)合膜的抗張力強(qiáng)度逐漸提高，是因?yàn)榧{米纖維素與石墨烯分子間及納米纖維素彼此之間相互纏結(jié)，形成了一定的相互作用力，提高了導(dǎo)電復(fù)合膜導(dǎo)電層（納米纖維素/石墨烯）的抗張力強(qiáng)度，進(jìn)而提高導(dǎo)電復(fù)合膜整體的抗張力強(qiáng)度。但是，隨著導(dǎo)電復(fù)合膜中石墨烯的添加量增大，石墨烯粉末富集，產(chǎn)生團(tuán)聚，造成材料表面出現(xiàn)裂痕[圖 3（e）]，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象使得導(dǎo)電復(fù)合膜整體的抗張力強(qiáng)度大幅度降低。

圖4 石墨烯、納米纖維素及不同質(zhì)量比的聚乳酸基納米纖維素/石墨烯的TG/DTG曲線Fig.4 TG/DTG curves of graphene,cellulose nanofibers and CGP

圖5 不同質(zhì)量比的納米纖維素/石墨烯復(fù)合膜，聚乳酸基納米纖維素/石墨烯復(fù)合膜的抗張強(qiáng)度Fig.5 Mechanical property of CG and CGP

2.5 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的導(dǎo)電性能

圖6 納米纖維素與石墨烯的不同質(zhì)量比對(duì)聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜導(dǎo)電性的影響Fig.6 Influence of composite ratio between cellulose nanofibers and graphene on electrical conductivity of CGP

不同質(zhì)量比的聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜（CGP）電導(dǎo)率測試結(jié)果如圖6所示，石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，CGP2的電導(dǎo)率高達(dá) 12 S·cm-1。對(duì)比文獻(xiàn)，董奇志等[28]用石墨烯納米片利用分散和滲透的方法，制備得到石墨烯纖維紙片，其電導(dǎo)率為0.116 S·cm-1；Ouyang等[30]使用氧化還原石墨烯和纖維素溶液制備了導(dǎo)電復(fù)合材料，當(dāng)還原氧化石墨烯含量為 41.2%時(shí)，材料的電導(dǎo)率為0.1528 S·cm-1?？梢悦黠@看出，本實(shí)驗(yàn)所制得的CGP2的導(dǎo)電性能比較理想。而CGP1中雖然石墨烯含量最高，但是由于其表面和內(nèi)部部分?jǐn)嗔?，?dǎo)致膜表面中電子運(yùn)動(dòng)受阻，電導(dǎo)率僅為7.37 S·cm-1，低于 CGP2。隨著納米纖維素的添加量提高，導(dǎo)電復(fù)合膜的電導(dǎo)率在逐漸下降，CGP5的電導(dǎo)率僅為5.98×10-5S·cm-1，從導(dǎo)電復(fù)合膜表面的SEM分析可知，當(dāng)提高納米纖維素的添加量時(shí)，納米纖維素互相纏繞將石墨烯表面覆蓋[圖 3（f）中可以看出CGP4的表面出現(xiàn)大量的納米纖維素]，又因?yàn)榧{米纖維素為不導(dǎo)電的材料，最終導(dǎo)致導(dǎo)電復(fù)合膜電導(dǎo)率下降。圖6中a～e為在納米纖維素與石墨烯不同質(zhì)量比下的導(dǎo)電復(fù)合膜代替部分導(dǎo)線時(shí)，發(fā)光二極管（LED）亮度情況，從圖中可以更加直觀地觀察到隨著納米纖維素添加量提高，CGP導(dǎo)電性的變化。

2.6 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的親水性能

材料的親水性可以通過水接觸角來測定，水接觸角越大材料的親水性就越弱，疏水性越強(qiáng)，表面能也越低，較好的疏水性為導(dǎo)電復(fù)合膜應(yīng)用于潮濕甚至水性環(huán)境提供了先決條件[31]。圖7為不同質(zhì)量比聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜(CGP)的水接觸角以及不同質(zhì)量比下 CGP水接觸角和表面能的影響曲線。其中圖7中的WA為試樣的表面能，定義如下

式中，γW為水在20℃下的表面張力系數(shù)，7.28×10-2N·m-1；θ為水接觸角，（°）。

圖7 納米纖維素與石墨烯的不同質(zhì)量比對(duì)聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜親水性能的影響Fig.7 Effect of composite ratio between cellulose nanofibers and graphene on hydrophilic property of CGP membrane

從圖中可以看出 CGP5的水接觸角為 53.5°，CGP2的水接觸角為80.6°，增加了27.1°；而表面能從116.1 mN·m-2降低到84.7 mN·m-2。由于石墨烯是疏水性材料，水接觸角較大，表面能較小。而納米纖維素表面有大量的羥基，是強(qiáng)親水性材料。說明兩者共混后，隨著石墨烯的添加量提高，親水性的納米纖維素被石墨烯覆蓋，導(dǎo)致導(dǎo)電復(fù)合膜的水接觸角增大，CGP1中石墨烯含量雖然最高，但其水接觸角僅為58.1°，小于CGP2。主要是由于CGP表面部分?jǐn)嗔讯a(chǎn)生裂痕，膜表面的水有部分滲入，使其水接觸角小于CGP2。

2.7 聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜可降解性

為了模擬導(dǎo)電復(fù)合膜在自然環(huán)境的降解，將學(xué)校中的土壤裝入培養(yǎng)皿中，在65℃的條件下真空干燥48 h至恒重。再將CGP2埋入土壤里，為了保證土壤的濕度，需要定期向培養(yǎng)皿中加入定量的水，每周定時(shí)將CGP2取出，用去離子水清洗膜表面，干燥至恒重后稱量樣品質(zhì)量。其中樣品的質(zhì)量損失率按照式（2）進(jìn)行計(jì)算

式中，M1為降解后 CGP2的質(zhì)量，M2為降解前CGP2的質(zhì)量。

圖8為CGP降解曲線，內(nèi)圖為CGP降解前后的圖片，從圖中可以看出，在第1周內(nèi)CGP的質(zhì)量損失最小，隨后幾周質(zhì)量損失逐漸增大，初始質(zhì)量損失主要是 CGP表層的聚乳酸降解產(chǎn)生的質(zhì)量損失，隨著降解時(shí)間的增長，CGP的表面開始斷裂，更深層的聚乳酸暴露在土壤中被降解，導(dǎo)致質(zhì)量損失速率增加。

圖8 在土壤中聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜（CGP2）的降解性Fig.8 Degradability of CGP2

3 結(jié) 論

（1）FT-IR圖譜分析及SEM觀測結(jié)果表明，石墨烯與納米纖維素之間存在一定的相互作用，由于只是簡單的物理復(fù)合，并沒有破壞石墨烯中電子運(yùn)動(dòng)軌道，所以在導(dǎo)電復(fù)合膜中極大保留了石墨烯良好導(dǎo)電性的特性。

（2）隨著石墨烯含量的增多，導(dǎo)電復(fù)合膜表面存在越來越多的石墨烯片層，其電導(dǎo)率逐漸上升，且導(dǎo)電復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性得到一定程度上的改善，但石墨烯含量過高時(shí)，過多的石墨烯片層阻礙了纖維素與之相互纏繞，聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜（CGP1)表面出現(xiàn)裂痕，對(duì)其導(dǎo)電性、力學(xué)性能產(chǎn)生影響。當(dāng)納米纖維素與石墨烯質(zhì)量比為1：2時(shí)，聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜（CGP2)相對(duì)來說具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能及力學(xué)性能，電導(dǎo)率和抗張強(qiáng)度分別為 12 S·cm-1、13.62 MPa，且其親水性較弱，使其在柔性導(dǎo)電材料等領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用。

（3）以聚乳酸作為基體大大增強(qiáng)了導(dǎo)電復(fù)合膜的抗張強(qiáng)度，聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜的抗張強(qiáng)度比納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜明顯增強(qiáng)，提高15～23倍，將聚乳酸基納米纖維素/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合膜埋于土壤中，5周后其質(zhì)量損失為3.7%?；趶?fù)合材料的可降解性，可將廢棄的聚乳酸基導(dǎo)電復(fù)合膜埋于土壤中，可有效避免廢棄復(fù)合膜材料對(duì)環(huán)境的二次污染。

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date:2017-03-19.

Prof.ZHANG Liping,zhanglp418@163.com

supported by the National Training Program of Innovation and Entrepreneurship for Undergraduates (201610022052) and the National Science & Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period (2015BAD14B0603).

Preparation and characterization of polylactic acid-based cellulose nanofibers/graphene conductive composite membranes

LIU Xuejiao,YANG Lin,TANG Lan,ZHANG Liping
(MOE Engineering Research Center of Forestry Biomass Materials and Bioenergy,Beijing Forestry University,Beijing100083,China)

Cellulose nanofibers/graphene conductive membrane (CG) was prepared by vacuum filteration and the as-prepared CG was then coated with polylactic acid (PLA).FT-IR results show that a certain interaction exists between graphene and cellulose nanofibers.The optimal condition is that the composite ratio of cellulose nanofibers to graphene is 1：2,the electrical conductivity is 12 S·cm-1,the tensile strength reaches 13.62 MPa and its hydrophilic angle is 80.6°.Thermogravimetric analysis (TGA) confirms the mass loss of PLA-based cellulose nanofibers/graphene conductive composite membranes (CGP) at 300℃ are below 10%,which is 20% less than that for pure cellulose nanofibers,suggesting that the introduction of graphene can greatly enhance the thermal stability of cellulose nanofibers.PLA possesses special advantages of mechanical property and degradability.The tensile strength of the CGP increases by 15—23 times as compared with the CG,after being buried in soil for 5 weeks,the mass loss of PLA-based cellulose nanofibers/graphene conductive composite membranes(CGP) was 3.7%.Therefore,CGP has a promising application in the flexible conductive material field.

graphene; cellulose nanofibers; polylactic acid; degradability; flexible conductive material;composites; preparation; biomass

TB 324

A

0438—1157（2017）12—4833—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170258

2017-03-19收到初稿，2017-09-30收到修改稿。

聯(lián)系人：張力平。

劉雪嬌（1992—），女，碩士研究生。

北京林業(yè)大學(xué)“國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”（201610022052）；國家十二五科技支撐項(xiàng)目（2015BAD14B0603）。