[發明專利]制備聚合物與石墨烯復合材料的方法及得到的復合材料和基材樹脂

在審

• 申請號: 202110048193.8
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN114763428A
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 周光遠;趙公大;姜國偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C08L67/02
• 分類號: C08L67/02;C08L53/02;C08L9/06;C08L33/08;C08K3/04;C08K3/34;C08K3/22;B29C55/00
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 毛薇

本發明提供制備聚合物與石墨烯復合材料的方法及得到的復合材料和基材樹脂，包括如下步驟，將石墨材料與高分子聚合物進行熔融共混，冷卻成型，利用拉伸設備對成型復合材料進行拉伸，將形變的復合材料熔融，攪拌，然后冷卻、成型；多次重復熔融和拉伸過程，最后得到所述的聚合物/石墨烯復合材料。本發明的剝離石墨烯并用于制備聚合物/石墨烯復合材料的方法簡單易操作，制得的復合材料既具有高分子材料的良好加工性能，也表現出石墨烯特有的高導熱、高導電和優異的力學性能，既可作為材料直接使用，也可作為基材樹脂廣泛應用于制備橡膠、塑料和膜材料。

技術領域

本發明屬于石墨烯材料和高分子材料技術領域，具體是指制備聚合物與石墨烯復合材料的方法及得到的復合材料和基材樹脂。

背景技術

石墨烯是由sp²雜化的碳原子組成的具有單原子厚度的二維晶體，是石墨、富勒烯、碳納米管等碳材料的基本結構單元。石墨烯的每個碳原子均為sp²雜化，這種結構賦予了石墨烯極其優異的剛性和力學性能，其理論楊氏模量達到1TPa，拉伸強度達到130GPa。并且石墨烯碳原子剩余的P軌道組成一個大π鍵，賦予石墨烯超高的電導性，其在室溫下的電子遷移率達到15000cm²/(v·s)，電導率高達10⁶S/cm。同時，石墨烯還具有優異的光學性能和熱傳導性能，其透光率達到97.7％，無缺陷的單層石墨烯導熱系數高達5300W/(m·K)，是已知導熱系數最高的碳材料。這些優異的性能使石墨烯在能量儲存、太陽能電池、催化劑載體、納米電子器件及復合材料等領域具有廣泛的應用前景，其中以高分子聚合物為基體與高質量石墨烯復合得到高性能復合材料是目前的研究熱點之一。

目前聚合物/石墨烯復合材料的制備方法主要有2種，一種是通過溶液混合、熔融混合等物理方法將石墨烯粉體分散到聚合物或聚合物單體中，從而得到聚合物/石墨烯復合材料。石墨烯粉體多是將天然石墨通過機械剝離法制得，由于石墨烯層間較強的π鍵，機械剝離法得到的石墨烯粉體要么成本高昂，要么得到的一般是多層石墨烯，其各項性能與單層石墨烯性能差距較大。另一種就是化學氧化還原法，首先通過強氧化劑將天然石墨氧化成氧化石墨，由于強氧化劑能夠破壞石墨層間的π鍵，使石墨層間距離擴大，并且在氧化過程中石墨層間及邊緣生成了大量如羧基、羥基等有較強親水性的含氧基團，使得氧化石墨能在水中形成良好的分散效果，再通過溶劑攪拌擴散、超聲等簡單物理手段可以得到層數較少乃至單層的氧化石墨烯，并且氧化石墨烯可以進行還原反應得到還原氧化石墨烯。化學氧化還原法具有工藝相對簡便、成本較低、產率較大等優點，適用于大規模工業化制備，因此成為目前制備石墨烯的重要方法之一。但由于氧化還原過程破壞了石墨烯的晶體結構，導致氧化石墨烯和還原氧化石墨烯的導電性和力學強度等性能相比于純石墨烯出現大幅降低。

由此亟需設計開發出一種大規模、低成本地將薄層乃至單層石墨烯分散于高分子聚合物得到高性能聚合物/石墨烯復合材料的方法。

發明內容

鑒于上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種剝離石墨烯并用于制備高分子聚合物與石墨烯復合材料的方法，該方法操作簡單高效，可以實現石墨烯在多種高分子聚合物中的良好分散，得到了具有優異導熱性能、導電性能和力學強度的聚合物與石墨烯復合材料。

本發明的技術方案如下：

制備聚合物與石墨烯復合材料的方法，包括如下步驟：

(1)將石墨材料與高分子聚合物進行熔融共混，得到共混物；

(2)將所述共混物冷卻成型，得成型復合材料；

(3)利用拉伸設備對成型復合材料進行拉伸，得形變的復合材料；

(4)將所述形變的復合材料熔融，攪拌，然后冷卻、成型；

(5)重復步驟(3)和步驟(4)N次，N≥1，得到所述的聚合物與石墨烯復合材料。