[發明專利]一種制備聚合物/石墨烯復合材料的方法

有效

• 申請號: 201010195935.1
• 申請日: 2010-06-03
• 公開（公告）號: CN101864005A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 陳國華;趙衛峰;吳杭;趙立平
• 申請（專利權）人: 華僑大學;廈門凱納石墨技術有限公司
• 主分類號: C08F2/44
• 分類號: C08F2/44;C08K3/04;C09C1/46;C09C3/04;C08F112/08;C08F120/14;C08F265/08;C08L25/06;C08L63/00;C08L101/02;C08L51/00
• 代理公司: 泉州市文華專利代理有限公司 35205
• 代理人: 戴中生

技術領域

本發明涉及一種制備聚合物基石墨烯復合材料的方法，屬于納米材料技術領域。

背景技術

最新研究表明當石墨晶體的厚度少于10個碳原子層時(厚度一般小于5納米)，石墨材料將表現出與普通三維石墨截然不同的一系列優異性質。這種具有原子級厚度的石墨薄片被稱之為石墨烯(Graphene)。研究表明，石墨烯的比表面積可以高達2600m2/g；楊氏模量約為1100GPa；斷裂強度為125GPa；保留了石墨晶體優良的機械強度及熱導率，分別為1060GPa和5000W/m·K。此外，石墨烯還表現出優異的電子傳輸能力，室溫下其電子遷移率高達15000cm2/V·S。石墨烯的這一系列性能使其作為高性能功能填料在聚合物復合材料領域表現出巨大的吸引力。

制備高性能聚合物/石墨烯復合材料的關鍵點在于如何有效獲取足夠量的石墨烯用于對聚合物進行填充并將其均一分散在聚合物基體中。然而在現有的眾多的石墨烯制備方法中(微機械剝離法，石墨氧化剝離法，化學氣相沉積及外延生長法，超聲波剝離法，電解氧化法等)中，僅有氧化石墨這一條途徑能夠提供足夠多的石墨烯用于聚合物復合材料的制備。因此，現有的聚合物/石墨烯復合材料均由氧化石墨制得。但是由于氧化石墨已被高強度氧化，剝離后所得到的氧化石墨烯片的結構已完全不同于石墨層原有的晶體結構。雖然氧化石墨烯在后續的還原過程中結構會更傾向于石墨本身，但依然難于完全恢復到石墨層原有的晶體結構，導致結構上的缺陷，不但影響其電導率，復合過程中還會帶來很嚴重的自團聚，使石墨烯在聚合物中不能得到最有效地分散，石墨烯的增強效果以及本征優勢難于充分發揮。

此前，雖然已經有一些報導涉及納米石墨微片(或石墨烯微片)復合材料(Jiang?BZ?et?al.J?Mater?Sci?2008?43，5092-5101(2008)；Du?XF?et?al.Chem?Mater?20(6)，2066-2091(2008)；Chen?et?al.Adv?Funct?Mater17(6)：898-904(2007))，但是，由于其片厚度均在數十個到數百個碳原子層，而且其制備方法均采用傳統的共混復合技術，納米填料在聚合物基體中難于得到有效的均一分散。

發明內容

本發明提供了一種簡捷有效的聚合物/石墨烯復合材料的制備方法，其在得到足夠量的石墨烯的同時可實現石墨烯在聚合物基體中的均一分散，從而可制備出導電滲濾值低(填料填充量少)的聚合物/石墨烯復合材料。

本發明的技術方案是這樣的：一種制備聚合物/石墨烯復合材料的方法，通過如下步驟實現：

一、將磨球、石墨粉和聚合物液態介質置于球磨設備中，進行一定時間的機械研磨，對石墨粉進行磨剝，然后將聚合物液態介質連同磨剝后的石墨分散液所組成的混合懸浮液從球磨設備中取出；

二、將步驟一所得的混合懸浮液通過凝聚、析出或直接引發聚合的方法得到聚合物/石墨烯復合材料。

上述聚合物液體介質為聚合物溶液，上述步驟二中，向步驟一所得的混合懸浮液中加入沉淀劑使聚合物復合材料從溶劑中凝聚析出得到聚合物/石墨烯復合材料。

上述聚合物液體介質為液態聚合物單體、聚合物單體溶液、液態聚合物預聚體或聚合物預聚體溶液中的一種或多種的混合物，上述步驟二中，對步驟一所得的混合懸浮液進行聚合得到聚合物/石墨烯復合材料。

上述聚合物液體介質為聚合物溶液與液態聚合物單體、聚合物單體溶液、液態聚合物預聚體、聚合物預聚體溶液中的一種或多種的混合物，上述步驟二中，先對步驟一所得的混合懸浮液中的聚合物單體、聚合物預聚體或聚合物單體與聚合物預聚體的混合體進行聚合，然后向混合體系中加入沉淀劑，使聚合物復合材料從溶劑中凝聚析出得到聚合物/石墨烯復合材料。

上述步驟一中，先將石墨粉均勻分散在聚合物液體介質中，形成石墨懸浮液，再將此石墨懸浮液和磨球裝入球磨設備中進行機械研磨，研磨時間4小時以上。

上述石墨粉所用的原料為鱗片石墨、可膨脹石墨、膨脹石墨、高取向石墨和熱裂解石墨中的一種或多種的混合物。

上述聚合物溶液中的聚合物包括所有油溶性和水溶性高分子。

上述磨球為氧化鋯磨球、鋼球、瑪瑙磨球、氧化鋁磨球或氮化硅磨球中的一種或多種的組合。

上述機械研磨為行星式球磨機、臥室球磨機、籃式研磨機或攪拌式球磨機。

采用上述方案后，本發明方法結合了原位復合和溶液復合的優點，選用已被廣泛應用于實際生產的機械研磨工藝對石墨進行剝離并進行原位復合，與現有技術相比，其優勢在于：