导电复合材料制造技术

一种导电复合材料包含纳米晶纤维素和氧化石墨烯的基质。该基质在其至少一个区域内，通过取决于该基质的这一部分中的纳米晶纤维素的质量浓度而在该区域中具有p型电荷载流子导电性或n型电荷载流子导电性，而是单极性的。

Conductive composite

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】导电复合材料
本专利技术涉及一种导电复合材料，特别是一种导电薄膜复合材料。它还涉及用于生产这种复合材料的方法，以及该复合材料的用途。
技术介绍
有机半导体材料的电子应用取决于p型和n型电荷载流子的可用性。制造这些电荷载流子的明确定义的顺序各层或空间图案的难易程度决定了应用的输出和范围。石墨烯基有机半导体的制造因其表现出的特性而备受关注，并且在各种领域中都有潜在的应用。用于制造石墨烯基有机半导体的一种这样的材料是氧化石墨烯。氧化石墨烯是已知在基面上包含许多主要是醇和环氧化物的氧化物官能团的材料。它与石墨具有显著的结构相似性，但表现出更长的层间间距，该层间间距在范围内。层间隔距离取决于湿度水平和水嵌入程度。由于较弱的π-π堆积力和带负电的薄片之间的强静电排斥作用，氧化石墨烯在水中的溶液表现出热力学稳定性。在基面和薄片边缘上的几个含氧官能团的存在，使得氧化石墨烯可以通过氢键、共价键和/或离子键与多种材料相互作用，形成杂化物和复合材料。sp2和sp3杂化碳原子的存在会导致氧化石墨烯薄片的平移对称性差或没有平移对称性。因此，尽管氧化石墨烯中晶胞的总体尺寸通常与单层石墨烯的相似，但与官能团连接的碳原子却略有位移。从氧化石墨烯平面突出的官能团有望解耦相邻层的碳主链中C＝C、sp2域之间的相互作用。然而，拓扑缺陷与氧官能团，可能形成更强的物理键，尤其是与极性客体(当这种极性客体用于与氧化石墨烯形成复合材料时)。通常，氧化石墨烯复合材料是双极性的。迄今为止，为了破坏氧化石墨烯复合材料的双极性特性的对称性，已经对这种复合材料进行了掺杂。因此，传统上，这是通过根据掺杂剂将双极性器件(例如硅芯片)掺杂为p型或n型来完成的。然而，这种掺杂技术是费时且劳动密集型的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种氧化石墨烯复合材料，由此至少改善了该缺点。因此，根据本专利技术的第一方面，提供了一种导电复合材料，其包括纳米晶纤维素(nanocrystallinecellulose，NCC)和氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)的基质，所述基质在其至少一个区域内，通过取决于所述基质的这一部分中的所述纳米晶纤维素的质量浓度而在所述区域中具有p型电荷载流子导电性或n型电荷载流子导电性，是单极性的。所述复合材料可以是膜的形式，特别是薄膜的形式。在本说明书中，提到薄膜是指厚度通常小于24μm的膜。因此所述复合材料的特征可以为，其不包含掺杂剂或者元素掺杂剂，例如元素周期表第V族的用于n型掺杂的元素，如磷，和/或元素周期表第III族的用于p型掺杂的元素，如硼。在本专利技术的一个实施例中，基质/复合材料中NCC的质量比例或质量浓度可以为≤7％或≥35％。所述复合材料于是具有p型或至少主要是p型的电荷载流子导电性。于是，NCC的质量浓度可以≤5％，例如约5质量％或约1质量％，或者可以≥40％，例如约50质量％。在本专利技术的另一个实施例中，基质/复合材料中NCC的质量比例或质量浓度可以为>7％且<35％。于是，NCC的质量浓度可以>8％且<35％，例如约10质量％或约20质量％，其被认为对于n型特性是最佳的。所述复合材料于是具有n型或至少主要为n型的电荷载流子导电性。在本说明书中，质量浓度是指成分浓度占复合材料的单位质量的百分比。因此，20％的NCC质量浓度(即20质量％)意味着所述复合材料按质量计包含20％NCC。所述基质的单极性区域可以是整个基质。换句话说，整个基质以及因此整个复合材料可以具有p型电荷载流子导电性或n型电荷载流子导电性。然而，替代地，基质的至少一个区域可以具有p型电荷载流子导电性，而其至少一个其他区域可以具有n型电荷载流子导电性。这是在有意通过制造产生结，从而视情况形成p/n结或n/p结时实现的。n/p/n或p/n/p特性形式的双极结也是可能的。基质以及因此复合材料可以是通过NCC和GO的机械物理混合获得的。因此，导电复合材料可以是导电膜复合材料的形式，优选地导电薄膜复合材料的形式，其通过将氧化石墨烯(GO)和纳米晶纤维素(NCC)分散在载液中以形成悬浮液，并由所述悬浮液中存在的固体生成膜形式的原始基质体，然后将所述原始基质体干燥以形成导电膜复合材料而获得。更具体地，基质可以通过如下方法获得：将氧化石墨烯(GO)分散在诸如水的载液中，向分散液中添加纳米晶纤维素(NCC)以形成悬浮液，并由所述悬浮液中存在的固体生成诸如膜或薄膜的原始基质体，然后将所述原始基质体干燥以形成导电膜复合材料或导电薄膜复合材料。因此，根据本专利技术的第二方面，广泛地提供了一种制备导电复合材料的方法，所述方法包括将氧化石墨烯(GO)分散在载液中以形成分散液或溶液；向所述分散液或溶液中添加纳米晶纤维素(NCC)以形成悬浮液，选择所述悬浮液中纳米晶纤维素的质量浓度以获得包含纳米晶纤维素和氧化石墨烯的基质的导电复合材料，所述基质在其至少一个区域内，通过在所述区域中具有p型电荷载流子导电性或n型电荷载流子导电性而具有单极性；由所述悬浮液中存在的固体生成原始基质体；以及干燥所述原始基质体以获得包含纳米晶纤维素和氧化石墨烯的基质的导电复合材料，所述基质在其至少一个区域内，通过取决于所述基质的这一部分中纳米晶纤维素的质量浓度而在所述区域中具有p型电荷载流子导电性或n型电荷载流子导电性，而是单极性的。所述导电复合材料可以是导电薄膜复合材料。因此，由所述悬浮液中存在的固体生成原始基质体可以包括由所述悬浮液中存在的固体产生薄膜复合材料。通常，这是通过在受控的无尘环境中，将所述悬浮液(即胶体复合材料溶液)转移到对大气开放的容器(例如培养皿)中，并使载液(例如水)缓慢蒸发来实现的。随着载液或溶剂的蒸发，会留下薄膜，然后将其机械剥离。因此，载液可以是水，从而获得GO在水中的分散液。分散液可通过混合例如超声混合而实现。因此可以通过对分散液进行一段时间t1的超声水浴处理来实现混合。优选地5min≤t1≤20min，更优选地t1可以为约10min。NCC可以以胶体溶液的形式添加到分散液中，并且其添加可以在混合分散液例如搅拌分散液的同时实现。该方法可以包括例如加入所有所述NCC胶体溶液后一旦形成悬浮液即混合(例如搅拌)一段时间t2。优选地，5min≤t2≤20min，更优选地t2可以为约10min。此后，可以对所述悬浮液进行一段时间t3的超声水浴处理。优选地，20min≤t3≤40min，更优选地t3可以为约30min。原始基质体的生成可包括NCC和GO胶体溶液的机械物理混合。可以在升高的温度T和一段时间t4下实现原始基质体的干燥或脱水。优选地，40℃≤T≤100℃；更优选地，40℃≤T≤70℃；T通常约为50℃。优选地，24hr≤t4≤72hr；更优选地20hr≤t4≤60hr；通常，t4约为48hr。因此，在所述方法中，将首先以预定质量比例使用GO和NCC，以获得具有预定质量比例或浓度的NCC的复合材料或基质，以使复合材料或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导电复合材料，其包括/n纳米晶纤维素NCC和氧化石墨烯GO的基质，所述基质在其至少一个区域内，通过取决于所述基质的这一部分中所述纳米晶纤维素的质量浓度而在所述区域中具有p型电荷载流子导电性或n型电荷载流子导电性，而是单极性的。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170317 ZA 2017/018961.一种导电复合材料，其包括
纳米晶纤维素NCC和氧化石墨烯GO的基质，所述基质在其至少一个区域内，通过取决于所述基质的这一部分中所述纳米晶纤维素的质量浓度而在所述区域中具有p型电荷载流子导电性或n型电荷载流子导电性，而是单极性的。


2.根据权利要求1所述的导电复合材料，其特征在于，所述复合材料不包含用于n型掺杂的元素掺杂剂，和/或不包含用于p型掺杂的元素掺杂剂。


3.根据权利要求1或2所述的导电复合材料，其中，所述基质中NCC的质量浓度为≤7％或≥35％，则所述复合材料具有p型或至少主要为p型的电荷载流子导电性。


4.根据权利要求1或2所述的导电复合材料，其中，所述基质中NCC的质量浓度为>7％且<35％，则所述复合材料具有n型或至少主要为n型的电荷载流子导电性。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的导电复合材料，其是导电膜复合材料的形式，通过将氧化石墨烯GO和纳米晶纤维素NCC分散在载液中以形成悬浮液，并由所述悬浮液中存在的固体生成膜形式的原始基质体，然后将所述原始基质体干燥以形成导电膜复合材料而获得。


6.一种制备导电复合材料的方法，所述方法包括
将氧化石墨烯GO分散在载液中以形成分散液或溶液；
向所述分散液或溶液中添加纳米晶纤维素NCC以形成悬浮液，选择所述悬浮液中纳米晶纤维素的质量浓度以获得包含纳米晶纤维素和氧化石墨烯的基质的导电复合材料，所述基质在其至少一个区域内，通过在所述区域中具有p型电荷载流子导电性或n型电荷载流子导电性，而是单极性的；
由所述悬浮液中存在的固体生成原始基质体；...

【专利技术属性】
技术研发人员：比茜·苏珊·马丁尼茨，维尔纳·E·范泽尔，文森特·O·尼亚莫里，摩西·亚伯尼戈·奥伦戈，瓦森·穆德利，埃德温·汤德瑞·蒙贝索拉，
申请(专利权)人：夸祖鲁纳塔尔大学，
类型：发明
国别省市：南非;ZA