[發明專利]一種多組分石墨烯/聚氨酯彈性體復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201610806828.5
• 申請日: 2016-09-07
• 公開（公告）號: CN106398179B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 孫泰;魏大鵬;楊俊;于樂泳;胡云;史浩飛;杜春雷
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: C08L75/04
• 分類號: C08L75/04;C08K7/00;C08K3/04
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技術領域

本發明涉及一種多組分石墨烯/聚氨酯彈性體復合材料的制備方法，屬于電子復合材料技術領域。

背景技術

石墨烯是21世紀新興的碳材料，由于特殊的sp²雜化軌道呈蜂巢晶格排列的單層碳原子二維結構，賦予其很多優異的物理化學性質。石墨烯具有大的比表面積(2630m²·g^-1)；優異的電子傳輸性能，在常溫下電子遷移率超過15000cm2/V·s，電阻率僅為10^-6Ω/cm，是目前世界上電阻率最小的材料；高的楊氏模量(～1.0TPa)和優異的柔韌性及穩定性，良好的導熱性(～5000W·m^-1·K^-1)和透光率(～97.7％)。這些性能使得石墨烯材料可作為柔性復合材料的添加組分，尤其是高分子材料的理想功能組分，在納米光電器件、超級電容、柔性智能傳感器、能量儲存及復合材料等領域有廣泛的應用前景。

目前石墨烯與高分子材料復合的主要方法有原位聚合的化學法和溶液機械共混的物理法，但是在這些方法中，石墨烯的有效分散和微結構的連續性都是制約其發展的技術瓶頸，獲得的復合材料的性能很難達到產業化應用的標準。如何獲得分散均勻且擁有連續的微結構導電網絡的石墨烯高分子復合材料是目前亟需解決的石墨烯復合材料的關鍵技術。其中化學氣相沉積法(CVD)是獲得高質量石墨烯的有效方法之一，其中任文才、陳宗平等通過CVD法獲得了石墨烯泡沫和高分子前驅體固化的復合材料具有代表性，這種三維石墨烯泡沫結構不僅保留了二維石墨烯原有優異物理化學性質，同時由于其泡沫狀多孔的微觀結構，賦予其低密度，大比表面積和高導電性。但研究發現這種復合材料拉伸量在50％的情況下，電阻變化率僅小于40％，很難對所受微小的拉伸變化進行敏感探測。這是因為其石墨烯泡沫表面存在很多褶皺紋路，在拉伸的情況下,這些褶皺會緩沖石墨烯形變,從而削弱其電阻值的對拉伸的敏感變化；而且由于只是通過簡單的液態或澆鑄的方式固化，只在距離石墨烯泡沫微區較近時才會有相對較強的力敏變化；同時，目前和石墨烯復合的主要高分子材料例如硅橡膠、環氧樹脂和聚氨酯等，都因為自身物理化學性質的局限性，使得復合材料的彈性、拉伸變形、彎曲變形以及環境適應性等方面不盡完美。因此需要通過結合物理共混法和化學氣相沉積法的各自優點，對復合材料的組成和結構進行優化，使材料對應力應變產生電阻倍增的效應。

發明內容

為了克服上述背景中的不足，本發明的目的在于提供一種多組分石墨烯/聚氨酯彈性體復合材料的制備方法，該方法操作簡單、成本低、應用廣泛且能提高其力敏響應。

本發明提供的一種多組分石墨烯/聚氨酯彈性體復合材料的制備方法，該方法包括如下步驟：

(1)通過化學氣相沉積法，在泡沫鎳上沉積三維石墨烯，三維石墨烯生長條件為常壓，生長溫度為700～1100℃，通入流量比例為200:80:5的氬氣、氫氣與甲烷的混合氣，生長時間控制在10～60min，最后得到未刻蝕泡沫鎳的三維石墨烯網絡骨架；

(2)將方形泡沫鎳上的石墨烯薄膜上均勻涂上濃度為0.1～1.5％的PMMA溶液，在真空干燥箱中，加熱10～60min，加熱溫度為80～150℃，再將涂有PMMA的樣品放入恒溫80℃的1～5M HCl中，刻蝕時間為6～24hour，刻蝕完畢后，將樣品放置于去離子水中侵泡5～10min，重復3次，再將三維石墨烯網絡置于真空干燥箱中，在低壓狀態下，升溫至60～100℃，保持40min，該干燥過程中，每10min開啟一次真空泵，抽去真空干燥箱內的水蒸汽，最后得到已刻蝕鎳但未去除PMMA保護膜的三維石墨烯網絡骨架；

(3)將已刻蝕鎳但未去除PMMA保護膜的三維石墨烯網絡骨架放入管式爐中，在低壓，10～40sccm氫氣中，加熱溫度為400～600℃，加熱時間為30～120min，退火完成后，可去除PMMA保護膜，得到三維石墨烯網絡骨架；

(4)通過真空干燥法，將刻蝕泡沫鎳后的三維石墨烯網絡骨架干燥，在真空干燥箱中，干燥條件為真空，干燥溫度為50～100℃，干燥時間為10～60min，最后得到干燥后的三維石墨烯網絡骨架；

(5)選擇有機溶劑配制濃度為15％～40％的聚氨酯彈性體溶液；

(6)將導電石墨烯的微片材料和有機溶劑按質量比例為5％-15％均勻混合，然后使用超聲設備超聲1～10min，形成石墨烯微片的均勻分散液；