[發明專利]功能化石墨烯、其制備方法及在石墨烯/非極性聚合物復合材料中的應用

有效

• 申請號: 201210423122.2
• 申請日: 2012-10-30
• 公開（公告）號: CN102898872A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 蔣一昆;汪根林;于金花;陸洲;馮耀才
• 申請（專利權）人: 無錫市明珠電纜有限公司
• 主分類號: C09C1/44
• 分類號: C09C1/44;C09C3/12;C09C3/08;C08K9/06;C08K3/04;C08L23/06;C09K3/00;C09K3/16
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

?

技術領域

本發明屬于石墨烯/聚合物復合材料領域，尤其涉及一種功能化石墨烯/聚乙烯半導體屏蔽料及其制備方法和應用。

背景技術

聚合物基導電屏蔽料在電纜、汽車、電子、礦山領域中得到廣泛的應用。在屏蔽料中，僅以電纜屏蔽料，每年我國的消費量達到幾十萬噸。然而，一般的聚合物基體都是絕緣體，目前通用的方法是通過添加大量的導電炭黑提高聚合物電導率。市場上電導率為1S/m屏蔽料通常需要添加質量分數為40-50%的導電炭黑，但是，大量的炭黑的添加不但降低了聚合物基體的力學性能，而且在高壓電場條件下容易產生尖端放電，導致材料擊穿。

石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆砌而成的二維蜂窩狀晶格結構的碳質材料。雖然石墨烯只有一個碳原子厚度，但是其具有許多杰出的物理特性，如高的楊氏模量、熱導率和電導率。這些優越的特性和二維結構引起了科學家廣泛的研究興趣，也使得石墨烯具有巨大應用前景。其中一個非常重要的應用是利用石墨烯這些性質制備導電的聚合物復合材料。根據石墨烯的特性，添加少量的石墨烯即可實現大幅提高聚合物基體的電導率的目標，從而制備出導電聚合物基屏蔽材料。

雖然石墨烯具有極其優越的特性，但是，其在聚合物基體均勻分散十分困難。由于石墨烯片層之間具有強π-π作用和疏水力作用，石墨烯極易團聚，在常用的溶劑中不溶解也很難分散。另外，石墨烯在高溫條件下不熔融，加工困難，這些缺點使石墨烯在聚合物上應用的優越性能大打折扣，甚至無法發揮。石墨烯的功能化可為提高石墨烯在聚合物基體中的分散性提供一條有效的途徑。

近年來，對石墨烯的表面進行功能化改性已有一些相關報道，例如，通過芳基重氮鹽與石墨烯的雙鍵反應，將有機分子連接到石墨烯的表面提高其分散性能（Haddon.?R.?C.,?et?al.?Nano?Letters.,?2010,?10,?4061-4066.）；如通過疊氮基團與石墨烯反應連接小分子有機基團?（He.?K.,?et?al.?Chemistry?of?Materials.,?2010,?22,?5054-5064.）。然而，石墨烯的有機基團功能化仍存在一些問題未解決，例如連接到石墨烯表面的功能化小分子基團數量有限，另外，過量功能化基團極大破壞了石墨烯的共軛結構，降低石墨烯的自身電導率。

另外，這些報道的功能化反應需要無水無氧，反應條件苛刻。而且，文獻報道的這些功能化基團主要是極性基團，因此得到的功能化石墨烯只能分散于極性溶劑中和極性聚合物基體中。如何簡單有效地制備出非極性基團功能化石墨烯，從而得到功能化石墨烯/非極性聚合物復合材料仍是一項挑戰性工作。

發明內容

針對現有技術的上述不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種導電的非極性基團功能化石墨烯，此外，本發明還提供了該屏蔽材料的制備方法及在石墨烯/非極性聚合物復合材料中的應用。

本發明的技術方案如下：

一種功能化石墨烯，其由以下步驟制備而成：

1）將原料氧化石墨烯與辛基三乙氧基硅烷溶解在有機溶劑中，在催化劑存在下，通過縮合反應生成前軀物-辛基三乙氧基硅烷修飾的氧化石墨烯，反應溫度40-60^?oC，其中氧化石墨烯的濃度為2-5?mg/ml，辛基三乙氧基硅烷與氧化石墨烯的質量比為3：1；

2）將辛基三乙氧基硅烷修飾的氧化石墨烯超聲分散在油酸溶劑中，在150-180^?oC溫度下反應12-24h，得到油酸功能化石墨烯。

所述步驟1）的有機溶劑為乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和1-甲基-2-吡咯烷酮中的一種或幾種。

所述步驟1）的催化劑為三乙胺。

此外，本發明還要求保護該功能化石墨烯在石墨烯/非極性聚合物復合材料中的應用。

與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

第一，本發明以氧化石墨烯為原料，將油酸分子連接在石墨烯的表面，得到油酸功能化的石墨烯，該功能化的石墨烯在極性有機溶劑如N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、1-甲基-2-吡咯烷酮和非極性溶劑如甲苯和二甲苯中都具有良好的分散性；

第二，本發明的制備方法簡單易操作，可控性強，可規模化放大；

第三，本發明的油酸功能化石墨烯可通過溶液法或高溫熔融法均勻地分散至聚乙烯基體中得到高性能屏蔽材料，例如添加少量該功能化石墨烯到聚乙烯中，可大幅提高基體的導電性能，得到的功能化石墨烯/聚乙烯復合材料在電纜屏蔽、電磁屏蔽和抗靜電領域具有巨大的應用價值。

附圖說明