[發明專利]一種高機械強度的導電3D打印石墨烯復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 202110789033.9
• 申請日: 2021-07-13
• 公開（公告）號: CN113683858A
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 張智亮;呂冰倩;劉威;陸佳琪;沈書緣;計建炳
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: C08L55/02
• 分類號: C08L55/02;C08L67/04;C08L29/04;C08L75/04;C08K3/04;C01B32/19;B33Y70/10
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;朱思蘭

本發明公開了一種高機械強度的導電3D打印石墨烯復合材料的制備方法，通過將高分子聚合物與石墨粉共同分散在有機溶劑中，采用氣體驅動液相剝離法對其中的石墨粉進行剝離；高分子聚合物的加入不僅可以促進石墨的剝離，得到晶格完整、片層厚度小、橫向尺寸大且均勻的高品質石墨烯，而且還可以有效提高聚合物與石墨烯的復合效果，克服石墨烯在聚合物中分散難、易團聚的問題；本發明方法操作條件溫和、工藝簡單、對設備要求低，易于規模化生產，具有良好的工業化前景，所得導電3D打印石墨烯復合材料具有機械強度大、熱穩定性高等優點，在3D打印領域具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于3D打印材料制備技術領域，尤其是涉及一種高機械強度的導電3D打印石墨烯復合材料的制備方法。

背景技術

3D打印技術，又稱增材制造技術。根據美國材料與試驗協會(ASTM)公布的定義，增材制造是一種與傳統的材料加工方法截然相反的、基于三維CAD模型數據、通過增加材料逐層制造的方式。

熔融沉積成型技術(FDM)是常用的3D打印技術之一，它的工作原理是首先將聚合物拉制成絲，打印時線材在噴頭處加熱熔融，按照設定程序掃過基板，層層堆疊固化冷卻成型。熔融沉積成型3D打印常用的材料是熱塑性高分子聚合物，如ABS、PLA、TPU等，然而這些高分子聚合物幾乎都是絕緣材料。石墨烯是一種高機械強度、高導電性的二維材料。向絕緣的高分子聚合物中加入石墨烯，不僅增加聚合物的機械強度，還可有效改善其導電性，但石墨烯在高分子聚合物中很難均勻分散。

為此，專利CN108102283A公布了一種導電型3D打印用石墨烯/ABS復合材料及其制備方法，其采用的技術方案是先將氧化石墨烯與ABS復合，然后再將氧化石墨烯進行還原，從而得到還原氧化石墨烯/ABS復合材料。這種方法可以提高石墨烯與聚合物的分散性，但是氧化還原過程會不可避免地破壞石墨烯的晶體結構，所得石墨烯復合材料導電性不佳。

發明內容

針對上述問題，本發明提供了一種高機械強度的導電3D打印石墨烯復合材料的制備方法。本發明技術方案不涉及氧化還原反應，可以保持石墨烯晶格結構的完整性，同時還可以有效地避免石墨烯的團聚，使其均勻地分散在高分子聚合物中，所得石墨烯復合材料機械強度高，具有良好的導電性，是一種性能優異的3D打印材料。

本發明的技術方案如下：

一種高機械強度的導電3D打印石墨烯復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將高分子聚合物溶解在有機溶劑中，然后向其中加入石墨粉，得到原料分散液；

所述高分子聚合物為ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PLA(聚乳酸)、PVA(聚乙烯醇)、TPU(熱塑性聚氨酯)中的一種或多種的混合物；

所述有機溶劑為NMP(N-甲基吡咯烷酮)、乙酸乙酯、苯、甲苯、丙酮、DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中的一種或多種的混合溶劑；

所述原料分散液中，石墨粉和高分子聚合物的質量比為0.1～0.8：1，高分子聚合物的濃度為20～100g/L；

(2)利用氣體驅動液相剝離法，對步驟(1)所得原料分散液中的石墨進行剝離，得到含有高分子聚合物、石墨烯和石墨粉的分散液；

具體的，所述氣體驅動液相剝離法的操作過程為：將原料分散液置于帶有攪拌裝置的儲罐中，開啟原料分散液輸送泵并調節液相流量，同時開啟空氣壓縮機并調節氣體流量，氣、液通過三通匯合后，液相在高速壓縮氣體的驅動下，從剝離管中噴射而出，然后通過氣液分離裝置將氣體分離，收集液相進行下一循環；

所述氣體驅動液相剝離過程中，氣體流量200～8000L/h，液相流量0.5～2000L/h，循環次數2～200次；

所述剝離管的尺寸為：長度2～100cm、內徑0.5～10mm；