[發(fā)明專利]聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110282093.8
• 申請日: 2011-09-21
• 公開（公告）號: CN102424705A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡源;包晨露;宋磊;郭玉強
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: C08J3/22
• 分類號: C08J3/22;C08L67/04;C08L25/06;C08L55/02;C08L75/04;C08L67/02;C08L23/06;C08L27/06;C08L77/00;C08L69/00;C08K3/04
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 逯長明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯是由單層碳原子呈二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)排列的一種新型碳質(zhì)材料，被認(rèn)為是所有其他維數(shù)碳質(zhì)材料的基本組成單元，如可以包成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管，堆砌成三維的石墨等。石墨烯是由碳原子以sp²雜化結(jié)合成的單原子碳層，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、奇特的電學(xué)性質(zhì)和良好的熱學(xué)性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯楊氏模量可達11000GPa，斷裂強度達125GPa，熱導(dǎo)率達5000W/(m·K)，理論比表面積高達2630m²/g，而且具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)和從不消失的電導(dǎo)率等性質(zhì)(石墨烯的制備與表征研究，《材料導(dǎo)報》，2008年8月)，在航空航天、新材料、電力、電子等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。在石墨烯的實際應(yīng)用研究中，聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的方向之一。

聚合物納米復(fù)合材料是通過將納米添加劑分散在聚合物基體中制得的。當(dāng)納米添加劑在納米尺度上均勻分散時，納米復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、阻燃性和氣體阻隔性等性能會有顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以石墨烯為納米添加劑，添加量較低時，聚合物的性能即可大幅增強。但是，由于石墨烯比表面積巨大，且石墨烯片層之間存在固有的范德華力，石墨烯片層非常容易團聚。因此，將納米尺寸的石墨烯在聚合物基體中均勻分散是制備高性能的聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料可以通過以下三種方法制備：溶液復(fù)合法、原位聚合法和熔融共混法。其中，采用溶液復(fù)合法和原位聚合法制備聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料時需要使用溶劑，溶劑能夠使石墨烯保持層離狀態(tài)，易于實現(xiàn)石墨烯在聚合物基體中的均勻分散。但是，這兩種方法均需要耗費大量有機溶劑，成本高、污染大、不適于工業(yè)化生產(chǎn)。熔融共混法雖然無需使用溶劑，不會造成環(huán)境污染，并且在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，但是熔融共混法難以實現(xiàn)石墨烯在聚合物中的良好分散，得到的聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料性能提高不明顯。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料的制備方法，本發(fā)明提供的制備方法有機溶劑使用量較少，能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯在聚合物基體中的均勻分散，得到性能良好的聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料，并適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

本發(fā)明提供了一種聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

a)將第一質(zhì)量份聚合物與石墨烯在有機溶劑中充分混合，除去所述有機溶劑后，得到聚合物/石墨烯母粒，所述石墨烯占所述第一質(zhì)量份聚合物和石墨烯總量的質(zhì)量百分比為1％～50％；

b)將所述聚合物/石墨烯母粒與第二質(zhì)量份聚合物熔融共混，得到聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料。

優(yōu)選的，所述步驟a)中，所述石墨烯占所述第一質(zhì)量份聚合物和石墨烯總量的質(zhì)量百分比為5％～40％。

優(yōu)選的，所述步驟b)中，所述石墨烯占所述第一質(zhì)量份聚合物、第二質(zhì)量份聚合物和石墨烯總量的質(zhì)量百分比為0.01％～40％。

優(yōu)選的，所述步驟a)具體包括：

a1)將第一質(zhì)量份聚合物溶于有機溶劑中，得到聚合物溶液；

a2)將石墨烯分散于有機溶劑中，得到石墨烯懸濁液；

a3)將所述聚合物溶液和所述石墨烯懸濁液充分混合，得到混合物；

a4)除去所述混合物中的有機溶劑后，得到聚合物/石墨烯母粒；

所述步驟a1)和所述步驟a2)沒有順序限制。

優(yōu)選的，所述步驟a2)具體為：

在超聲波處理和機械攪拌的條件下將石墨烯分散于有機溶劑中。

優(yōu)選的，所述石墨烯與所述有機溶劑的質(zhì)量體積比為1g∶(20～60)mL。

優(yōu)選的，所述步驟a3)具體為：

在超聲波處理和機械攪拌的條件下將所述聚合物溶液和所述石墨烯懸濁液充分混合。

優(yōu)選的，所述步驟a1)中，所述第一質(zhì)量份聚合物與所述有機溶劑的質(zhì)量體積比為1g∶(3～30)mL。

優(yōu)選的，所述聚合物為聚乳酸、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚氨酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺和聚碳酸酯中的一種或多種。

優(yōu)選的，所述有機溶劑為四氫呋喃、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、二氧六環(huán)、三氯甲烷、甲苯、苯、二甲苯、乙腈和吡啶中的一種或多種。