[發(fā)明專(zhuān)利]一種石墨烯呈網(wǎng)絡(luò)狀的石墨烯高分子復(fù)合材料及制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310587430.3
• 申請(qǐng)日: 2013-11-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103554702A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王昭群;楊亮;吉于成;薛奇;王家寧
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C08L25/06
• 分類(lèi)號(hào): C08L25/06;C08L33/10;C08L33/08;C08L25/14;C08L33/26;C08L23/06;C08L83/04;C08L61/06;C08L61/12;C08K9/02;C08K3/04;B29C43/58;B29C39/44
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 巫士華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及石墨烯高分子復(fù)合材料及其制備技術(shù)。?

技術(shù)背景

石墨烯因自身具有優(yōu)異的熱導(dǎo)、電導(dǎo)、力學(xué)性能以及巨大的比表面積等特點(diǎn)而受到了越來(lái)越多的關(guān)注，在電池、傳感、超級(jí)電容、能量?jī)?chǔ)存、納米復(fù)合等技術(shù)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。雖然現(xiàn)在已經(jīng)可以使用低耗的方法大量制備石墨烯，但如何才能更高效地應(yīng)用石墨烯依然是一個(gè)科學(xué)難題。其中，制備石墨烯高分子復(fù)合材料是一種可行的技術(shù)途徑，但是，其關(guān)鍵技術(shù)在于，如何有效地將石墨烯均勻地分散在復(fù)合材料中，從而充分發(fā)揮石墨烯的性能以及復(fù)合所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。截至目前為止，制備石墨烯高分子復(fù)合材料最普遍的方法是將石墨烯的分散液與高分子的溶液或膠體進(jìn)行混合，或在液態(tài)下直接澆鑄成型，或經(jīng)干燥得到固體混合物后再進(jìn)行熱壓成型。但是，在溶劑揮發(fā)或去除介質(zhì)的過(guò)程中，石墨烯顯然很容易發(fā)生重新聚集或者原有的均勻分散狀態(tài)遭到破壞。為了避免這一情況，通常需要使用快速沉淀和冷凍干燥等一些特殊手段，例如，Stankovich等先將聚苯乙烯和石墨烯在N,N-二甲基酰胺中共混，然后將分散液逐滴滴加到大量的甲醇中，聚苯乙烯快速沉淀后得到石墨烯高分子復(fù)合物(參考文獻(xiàn)1：Nature，2006，442，282)。Brinson等人使用類(lèi)似的快速沉降法使石墨烯在聚甲基丙烯酸酯中保持均勻的分散(參考文獻(xiàn)2：Nature?Nanotechnology，2008，3，327)。Loose等人將預(yù)先制備的石墨烯水分散液與聚苯乙烯乳液進(jìn)行共混，然后將該混合物用液氮快速冷凍，再進(jìn)行冷凍干燥，最后得到聚苯乙烯／石墨烯復(fù)合物粉末(參考文獻(xiàn)3：Journal?of?Materials?Chemistry，2010，20，3035)。王昭群等曾將氧化石墨烯與聚苯乙烯微球進(jìn)行簡(jiǎn)單共混，在共混狀態(tài)下將氧化石墨烯還原，將石墨烯緊密包裹在聚苯乙烯微球表面，獲得微、納米尺度的聚苯乙烯／石墨烯復(fù)合粒子(參考文獻(xiàn)4：中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，聚苯乙烯／石墨烯復(fù)合粒子的制備方法，申請(qǐng)?zhí)枺?01110189423.9)。這一具有微小尺度的復(fù)合粒子可用來(lái)進(jìn)一步制備大尺度的石墨烯高分子復(fù)合材料。?

概而言之，現(xiàn)有技術(shù)具有如下特點(diǎn)：第一、為了將石墨烯均勻分散在高分子中，采用上述的液相混合方法一般需要使用大量的有機(jī)溶劑，既提高成本，更不利于環(huán)保；第二，為了使前期獲得的均勻分散狀態(tài)得以保持，往往需要使用快速沉淀和冷凍干燥等迅速固定和凍結(jié)原有結(jié)構(gòu)的手段，無(wú)疑會(huì)帶來(lái)過(guò)程復(fù)雜化和能耗提高等弱點(diǎn)；第三、現(xiàn)有技術(shù)并不能使石墨烯在高分子基體中達(dá)到完全和最大程度的均勻分散，也不能更有效和有序地控制石墨烯高分子復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。換而言之，這些常用的方法無(wú)法制備嚴(yán)格高度有序的三維結(jié)構(gòu)。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種石墨烯呈網(wǎng)絡(luò)狀的石墨烯高分子復(fù)合材料以及制備這種復(fù)合材料的方法。?

本發(fā)明所提出的三維高度有序的石墨烯高分子復(fù)合材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可描述為，高分子基體中，石墨烯呈三維長(zhǎng)程高度有序的網(wǎng)絡(luò)狀。?

本發(fā)明所提出的具有上述結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其制備方法為：首先用石墨烯包覆高分子微球制得高分子／石墨烯復(fù)合粒子，然后將所得高分子／石墨烯復(fù)合粒子經(jīng)壓制或澆注成型，即得到一種石墨烯呈網(wǎng)絡(luò)狀的石墨烯高分子復(fù)合材料。?

本發(fā)明所述的石墨烯高分子復(fù)合材料，其中高分子是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯類(lèi)、聚丙烯酸酯類(lèi)、苯乙烯-丙烯酸酯類(lèi)共聚物、丙烯酸-甲基丙烯酸酯類(lèi)共聚物、聚丙烯酰胺、聚乙烯、聚硅氧烷、聚烷基硅氧烷、聚苯基硅氧烷、酚醛樹(shù)脂、間苯二酚甲醛樹(shù)脂。高分子與石墨烯的質(zhì)量比為500：1-50.?

本發(fā)明所提出的復(fù)合材料及其制備方法具有如下顯著的特點(diǎn)：(1)石墨烯在高分子基體中均勻分散，形成規(guī)整、均勻、完整的三維網(wǎng)絡(luò)；(2)制備技術(shù)中采用了“由基塊到整體”的組裝搭建理念，其過(guò)程簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、低損耗、低能耗；(3)不使用有機(jī)溶劑，綠色環(huán)保。?

本發(fā)明所提出的石墨烯高分子復(fù)合材料的制備方法如下：?

1.高分子／石墨烯復(fù)合粒子的準(zhǔn)備?

將高分子微球的水分散液與氧化石墨烯的水分散液進(jìn)行混合，攪拌后，對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行化學(xué)還原，通過(guò)離心分離，去除水介質(zhì)，再經(jīng)干燥后，得到石墨烯包裹高分子微球的高分子／石墨烯復(fù)合粒子。?

上述所用高分子微球可以通過(guò)各種化學(xué)或物理方法獲得，也可采用市售的商品；所采用的氧化石墨烯可通過(guò)常規(guī)的制備方法獲得，亦可采用市售的商品。?

2.石墨烯高分子復(fù)合材料的制備?