[發明專利]含石墨烯的復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410640645.1
• 申請日: 2014-11-13
• 公開（公告）號: CN104371279B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 周超;陳思浩;樓建中;陳志昌;徐剛;楊春宇;朱同賀;王繼虎;邢晨晨;包一鳴
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: C08L65/00
• 分類號: C08L65/00;C08G61/12;C08K9/04;C08K3/04;C08L75/04;C08L7/00;C08L25/06;C08L23/06;C08L23/12;C08L27/08;C08L67/02;C08L69/00;C08L83/04
• 代理公司: 上海金盛協力知識產權代理有限公司31242
• 代理人: 羅大忱

技術領域

本發明涉及一種含石墨烯的復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

石墨烯(Graphene)是由單層碳原子構成的具有六邊形蜂窩狀結構的二維晶體。理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。二維石墨烯結構可以看是形成所有sp2雜化碳質材料的基本組成單元。石墨烯中碳-碳鍵長約為0.143nm，每個晶格內有三個σ鍵，鏈接十分牢固，形成了穩定的六邊形狀。單層石墨烯厚度僅為0.35nm，約為頭發絲直徑的二十萬分之一。

到目前為止，石墨烯被發現具有許多新奇而獨特的物理現象，例如無質量的狄拉克費米子、量子霍爾效應、室溫磁效應以及在室溫下自旋依賴的輸運。更重要的是，獨特結構的石墨烯具有多重的優異性能，較小的質量密度(2.2g/cm³)，極大的比表面積(～2630m²/g)，極高的本征遷移率(＞104cm²/Vs超過商用硅片10倍)而電阻率只約10^-6Ω.cm，為目前世界上電阻率最小的材料、突出的導熱性能(3000W/m^-1K^-1,是金剛石的3倍)和力學性能(楊氏模量高達1.0TPa，是鋼的100多倍),石墨烯中電子的運動速度超過了在其他金屬單體或是半導體中的運動速度，能夠達到光速的1/300。石墨是礦物質中最軟的，其莫氏硬度只有1～2級，但被分離成一個碳原子厚度的石墨烯后，性能則發生突變，其硬度比莫氏硬度10級的金剛石還高，高達130GPa的強度，卻又擁有很好的韌性，可任意彎曲。并且幾近透明，在很寬的波段內光吸收只有2.3％。因其室溫導電速度最快、力學強度最大、導熱能力最強等性能，石墨烯在納米電子器件、光電子器件、傳感器、超級電容器、能量存儲、燃料電池集成電路、晶體管、場效應管等方面具有重要潛在應用。

可通過溶融共混、溶液共混、也可通過溶液插層等方法將有機分子引入石墨的片層之間，然后原位生長制備石墨烯/高分子材料復合材料。由于石墨烯具有高強度、高導電性、高透光性、高硬度、高阻隔性、室溫量子霍爾效應等一系列優異的性能，而且其原料(石墨、烴類等)充足，價格低廉。因此具有很廣泛的用途。將石墨烯作為添加相應用于高分子材料之中制備復合材料是目前制備高性能、多功能、智能化復合材料研究的重點。而高分子材料中直接添加石墨烯，其性能往往達不到實際生產期望的要求，所以需對其進行進一步的功能化改性和結構設計才能達到功能化和智能化的目標。

多功能、智能化聚合物復合材料中，壓力-電阻響應復合材料的制備技術中，多用炭黑、碳納米管、和普通的石墨烯作為填料。但存在一系列的問題，如：以炭黑為填料的壓阻復合材料低敏感度、高填充量、重復性不佳；以碳納米管為填料的壓阻復合材料雖然具有較高的壓阻敏感度以及較低的填充量，但是這種優異的壓阻特性很難在循環測試中得到理想的重復。也有用石墨烯作為填料，并且用烷基化來改善導電填料和聚合物基體間的結合從而達到壓阻響應的目的。這只是簡單地解決了界面的結合問題，但是沒有從根本和源頭解決界面的結合和壓阻響應的問題。因此，我們我們先將石墨烯表面進行磺化接枝，然后再采用原位聚合的方法通過氫鍵結合上聚3,4-(乙撐二氧噻吩)，從而制備得到一種石墨烯-導電聚合物的復合材料。此種材料可單獨作為壓阻材料，也可和聚合物復合形成壓阻材料。

目前，研究石墨烯高分子多功能、智能化復合材料主要有以下幾種：申請日為：2012.05.10，申請號為：201210144498.X，公開號為：CN 102173145 A，公開日期為：2012.09.19，專利名稱為：“一種表面改性石墨烯聚合物基壓阻復合材料及其制備方法”，以烷基化石墨烯作為填料，和硅橡膠復合制備一種壓阻響應材料。

申請日為：2011.12.15，申請號為：201110419526.X，授權公告號為：CN 102558772B，授權日期為：2013.03.06，專利名稱為：“一種聚3,4-(乙撐二氧噻吩)/磺化石墨烯復合水凝膠及其制備方法”，以聚3,4-(乙撐二氧噻吩)、聚苯乙烯磺酸鈉、磺化石墨烯作為單組份，然后混合形成復合水凝膠，用以改善電性能和力學強度。