本發(fā)明屬于柔性電熱材料，具體涉及一種柔性石墨烯電熱薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的飛速發(fā)展，在眾多領(lǐng)域中，對材料的性能要求日益多樣化，柔性電熱材料因其獨特的性能和極為廣泛的應(yīng)用前景，正受到越來越多的關(guān)注。

2、在過去，傳統(tǒng)的電熱材料，諸如金屬合金和陶瓷等，憑借其較高的熱穩(wěn)定性，在一些特定領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，這些傳統(tǒng)材料存在著諸多限制其進一步發(fā)展的因素。從制造工藝來看，其制造過程往往較為復(fù)雜，需要精細的操作和特定的設(shè)備，這不僅增加了生產(chǎn)的難度，也提高了成本。并且，它們的剛性特質(zhì)使其難以滿足柔性應(yīng)用的需求，在一些需要材料具備可彎曲、可折疊性能的場景中，顯得力不從心。此外，金屬合金和陶瓷的高密度也限制了其在一些對重量有嚴格要求的領(lǐng)域的應(yīng)用。

3、近年來，隨著對新型材料研究的不斷深入，碳基材料逐漸嶄露頭角，尤其是石墨烯，因其優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)性能而成為研究熱點。石墨烯作為一種二維材料，具有眾多令人矚目的特性。它擁有高楊氏模量，這使得其在承受一定外力時能夠保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；其優(yōu)異的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，使其在電熱轉(zhuǎn)換等方面具有巨大的潛力；大比表面積則為其與其他物質(zhì)的相互作用提供了更多的可能性；快速的電荷傳輸速率更是有利于提高其電學(xué)性能?；谶@些卓越的性能，石墨烯逐漸取代其他碳材料，成為柔性電熱薄膜的主要電熱材料，為柔性電熱領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機遇。

4、然而，盡管石墨烯具有諸多優(yōu)勢，但目前報道的石墨烯電熱薄膜仍然存在一些亟待解決的問題。首先是柔韌性不足的問題，石墨烯薄膜本身存在一定的脆性，在受到較大彎曲或拉伸時，容易出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，這極大地限制了其在柔性應(yīng)用中的使用，如可穿戴設(shè)備、柔性顯示屏等對柔韌性要求極高的領(lǐng)域。其次，制備成本高也是一個突出問題。傳統(tǒng)的制備方法往往需要復(fù)雜的設(shè)備和高溫處理過程，這不僅增加了設(shè)備投入成本，也使得能耗大幅上升，從而顯著提高了生產(chǎn)成本，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。再者，石墨烯在聚合物基體中的分散性不佳，導(dǎo)致薄膜性能不穩(wěn)定。分散不均勻會使得薄膜不同部位的電學(xué)和熱學(xué)性能存在差異，影響整體的使用效果。最后，熱處理過程復(fù)雜也是一個關(guān)鍵問題。許多制備方法需要高溫?zé)崽幚恚@不僅增加了能耗，還使得生產(chǎn)過程的控制難度加大，對生產(chǎn)設(shè)備和工藝的要求更高。

5、綜上所述，雖然石墨烯作為柔性電熱薄膜的主要材料具有巨大的潛力，但目前存在的這些問題嚴重制約了其進一步的發(fā)展和應(yīng)用，因此，研發(fā)新的制備方法和技術(shù)，以解決上述問題，具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的市場前景。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種柔性石墨烯電熱薄膜的制備方法，該制備方法制得的柔性石墨烯電熱薄膜通過多分子誘導(dǎo)定向和界面調(diào)控技術(shù)具有超柔性、高紅外輻射效率、高電磁屏蔽性能。

2、本發(fā)明提供了一種柔性石墨烯電熱薄膜的制備方法，包括：

3、將羧甲基纖維素(cmc)與去離子水混合得到混合膠體溶液；

4、向所述膠體溶液中先加入石墨烯，攪拌均勻后加入姜黃素(curcumin，cu)，再次攪拌均勻后加入sio2納米顆粒，最后攪拌均勻得到混合溶液；

5、將所述混合溶液均勻涂覆在塑料基板上，通過懸涂-流延法多次成膜、干燥得到柔性石墨烯電熱薄膜。

6、本發(fā)明通過羧甲基纖維素(cmc)、石墨烯(gr)和sio2納米顆粒在制備柔性電熱薄膜中的協(xié)同作用機理具有重要意義，它們共同實現(xiàn)了以下技術(shù)效果：

7、1.提高分散性和穩(wěn)定性：

8、οcmc作為分散劑和粘合劑，增強了石墨烯在聚合物基體中的分散性，減少了聚集，并通過釋放的na+離子與石墨烯形成離子-π相互作用，進一步穩(wěn)定分散狀態(tài)。

9、2.增強柔韌性和機械強度：

10、οcmc與石墨烯的多種鍵合模式有助于薄膜的擴散，顯著提高柔韌性。

11、οsio2納米顆粒通過氫鍵與石墨烯表面錨定，減少石墨烯層間的應(yīng)力集中，提高薄膜的折疊性和機械強度。

12、3.提升電熱性能：

13、ο石墨烯的高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率使其成為高效的電熱轉(zhuǎn)換材料。

14、οcmc和sio2納米顆粒的協(xié)同作用提高了薄膜的均勻性和電熱性能。

15、4.優(yōu)異的折疊耐久性：

16、ο協(xié)同作用增強了薄膜的機械強度和折疊耐久性，使薄膜在多次折疊后仍能保持性能。

17、5.均勻的加熱溫度分布：

18、οcmc和sio2納米顆粒的加入使得石墨烯在薄膜中的分布更加均勻，實現(xiàn)更均勻的加熱溫度分布。

19、6.高紅外輻射效率：

20、ο石墨烯的加入使得薄膜具有高的紅外輻射效率，對加熱和理療應(yīng)用非常重要。

21、7.降低生產(chǎn)成本：

22、ο簡化的制備工藝，如懸浮涂層和澆注方法，無需高溫?zé)崽幚?，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)大規(guī)模制造潛力。

23、綜上所述，cmc、石墨烯和sio2納米顆粒的協(xié)同作用不僅提高了柔性電熱薄膜的性能，還降低了生產(chǎn)成本，使得這種薄膜在實際應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。缺少任何一個組分都會影響薄膜的整體性能，因此它們的組合是實現(xiàn)這些技術(shù)效果的關(guān)鍵。

24、優(yōu)選的，所述石墨烯與羧甲基纖維素的質(zhì)量比為1/1-4/1。

25、優(yōu)選的，所述姜黃素的質(zhì)量與石墨烯與羧甲基纖維素的總質(zhì)量的比例為0.5/10-2/10。在此范圍內(nèi)，姜黃素能夠有效提高石墨烯的分散性和界面相容性，增強復(fù)合材料的整體性能，同時提供抗氧化和抗老化的效果。適量的姜黃素可以通過氫鍵作用減少石墨烯的聚集，改善復(fù)合材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。比例過低會導(dǎo)致分散和界面改性效果不足，影響材料性能；比例過高則可能增加成本并形成團聚體，反而降低性能。因此，這一比例范圍是平衡性能和成本的最佳選擇。

26、優(yōu)選的，所述sio2納米顆粒的質(zhì)量與石墨烯與羧甲基纖維素的總質(zhì)量的比例為0.5/10-2/10。在此范圍內(nèi)，sio2納米顆粒能有效地防止石墨烯聚集，提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和機械性能，以及增強電熱性能。此比例確保了sio2納米顆粒在提升材料性能的同時，避免了因添加過量而導(dǎo)致的成本上升和性能下降，或因添加不足而導(dǎo)致的分散不充分和性能不足。

27、進一步優(yōu)選的，所述石墨烯、羧甲基纖維素、姜黃素和sio2納米顆粒的質(zhì)量比為50/50/10/1-80/20/10/1。這個范圍能夠確保復(fù)合材料兼具良好的電熱性能、柔韌性和成本效益。在此比例下，石墨烯的較高比例維持了材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，羧甲基纖維素的適中比例提供了柔韌性和加工性，姜黃素的低比例增強了石墨烯的分散性和界面相容性，而sio2納米顆粒的低比例有效防止了石墨烯的聚集，提高了材料的穩(wěn)定性和均勻性。這個比例范圍綜合考慮了性能和成本，以達到復(fù)合材料的最佳性能。

28、優(yōu)選地，所述干燥溫度為50℃-70℃，干燥時間為10-30min。

29、優(yōu)選地，在多次成膜、干燥后再次進行干燥，所述干燥的溫度為70℃-100℃，干燥的時間為2-4h。

30、本發(fā)明還提供了一種柔性石墨烯電熱薄膜的制備方法，通過所述柔性石墨烯電熱薄膜的制備方法制備得到。

31、進一步的，所述柔性石墨烯電熱薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)150-180度折疊50000～70000次，紅外輻射效率達到90％以上，電磁屏蔽效能達到30db以上，熱導(dǎo)率達到90w/(m·k)以上。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

33、(1)通過多分子誘導(dǎo)定向和界面調(diào)控技術(shù)，本發(fā)明的石墨烯電熱薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)180度折疊，并在經(jīng)過50000～70000次折疊后性能無明顯變化，顯著提升了薄膜的柔韌性和折疊耐久性，即石墨烯、羧甲基纖維素(cmc)和sio2納米顆粒之間的協(xié)同作用通過多分子誘導(dǎo)定向和界面調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了石墨烯片層的有效分散和定向排列，改善了石墨烯與cmc之間的界面相容性，提高了復(fù)合材料的柔韌性和折疊耐久性。cmc通過氫鍵和離子-π相互作用增強石墨烯的分散性，同時其長鏈結(jié)構(gòu)吸收和分散應(yīng)力，而sio2納米顆粒防止石墨烯聚集并減少層間摩擦，共同作用提升了薄膜的機械性能和電熱性能，使得制備出的柔性電熱薄膜具有良好的柔韌性和耐久性。

34、(2)本發(fā)明的石墨烯電熱薄膜紅外輻射效率達到90％以上，能夠高效地將電能轉(zhuǎn)化為熱能，并以紅外輻射的形式釋放出來，適用于紅外加熱和理療設(shè)備。石墨烯因其出色的電導(dǎo)率和熱輻射能力在電熱薄膜中發(fā)揮核心作用，而羧甲基纖維素(cmc)作為分散劑和粘合劑，提高了石墨烯的分散性并增強了熱穩(wěn)定性，姜黃素(cu)通過氫鍵作用改善了石墨烯與cmc之間的界面相容性，減少了熱量傳遞過程中的能量損失。sio2納米顆粒的加入進一步促進了熱傳導(dǎo)，降低了熱阻。這些組分的協(xié)同作用優(yōu)化了電能到熱能的轉(zhuǎn)換效率，并增強了熱量的均勻分布和紅外輻射能力，從而實現(xiàn)了復(fù)合材料較高的紅外輻射效率，為制備高性能柔性電熱薄膜提供了有效的材料基礎(chǔ)。

35、(3)本發(fā)明的石墨烯電熱薄膜電磁屏蔽效能達到30db以上，能夠有效屏蔽電磁干擾，保護設(shè)備和人員免受電磁輻射的影響。石墨烯的高電導(dǎo)率使其能高效吸收電磁波能量，轉(zhuǎn)化為熱能，而羧甲基纖維素(cmc)作為分散劑提高了石墨烯的分散性，增加了與電磁波接觸的表面積。姜黃素通過氫鍵改善石墨烯與cmc的界面相容性，促進電子傳輸，進一步提升吸收效率。sio2納米顆粒的介電性質(zhì)增強了復(fù)合材料的反射能力，并可能通過改變介電特性影響吸收。這些組分的協(xié)同作用使得復(fù)合材料能夠有效吸收和反射電磁波，從而實現(xiàn)了高的電磁屏蔽效能，為電子設(shè)備和航空航天等領(lǐng)域提供了有效的電磁兼容性和防護解決方案。

36、(4)本發(fā)明的石墨烯電熱薄膜熱導(dǎo)率達到90w/(m·k)以上，具有優(yōu)異的熱管理性能，能夠快速傳導(dǎo)熱量，避免局部過熱。石墨烯的高熱導(dǎo)率特性，結(jié)合cmc的分散作用和界面調(diào)控能力，以及sio2納米顆粒的熱橋接效應(yīng)，共同作用于復(fù)合材料，實現(xiàn)了高效的熱傳導(dǎo)。石墨烯提供了主要的熱傳導(dǎo)路徑，cmc通過改善石墨烯的分散性和界面相容性，減少了熱阻，而sio2納米顆粒則作為熱導(dǎo)率的增強劑，促進了熱量在復(fù)合材料中的均勻分布，這些組分的協(xié)同作用最終實現(xiàn)了復(fù)合材料的高熱導(dǎo)率，使其在熱管理和電子設(shè)備散熱等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

37、(5)采用懸涂-流延法進行成膜，無需復(fù)雜的設(shè)備和高溫處理過程，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，適合大規(guī)模生產(chǎn)，本發(fā)明的制備方法主要原料包括石墨烯、羧甲基纖維素、姜黃素和二氧化硅納米顆粒，這些材料成本相對較低，且來源廣泛，降低了生產(chǎn)成本；制備過程中使用的材料和工藝對環(huán)境友好，不涉及有毒有害的化學(xué)物質(zhì)，符合環(huán)保要求。