[發明專利]一種聚乙烯醇-改性氧化石墨烯納米復合水分散液及其制備方法

有效

• 申請號: 202111311180.1
• 申請日: 2021-11-08
• 公開（公告）號: CN113929927B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 張勝文;徐正午;郭佳美;白繪宇;王瑋;東為富
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: C08J3/05
• 分類號: C08J3/05;C08L29/04;C08K9/04;C08K3/04;C09D129/04;C09D7/62;B82Y30/00;C08J5/18;C08J7/048;C08L67/02
• 代理公司: 無錫承果知識產權代理有限公司 32373
• 代理人: 劉清麗

本發明涉及一種聚乙烯醇?改性氧化石墨烯納米復合水分散液及其制備方法，屬于納米復合材料改性領域。本發明采用氨基磺酸鹽改性氧化石墨烯，利用共價鍵改性的方式將氧化石墨烯片層表面引入磺酸基團，制備磺酸改性氧化石墨烯水分散液，并與聚乙烯醇共混制備出聚乙烯醇?改性氧化石墨烯復合水分散液。該發明中氧化石墨烯片層上的磺酸基團進一步增強了與聚乙烯醇之間的相互作用，從而制備出了相容性高，水分散性好的復合水分散液，提高了材料的力學性能以及阻隔性能。

技術領域

本發明涉及一種聚乙烯醇-改性氧化石墨烯納米復合水分散液及其制備方法，屬于納米復合材料改性領域。

背景技術

石墨烯，是一種無機二維片層材料，具有良好的力學性能，高長徑比，以及優異的電學、光學、導熱性能，被廣泛運用在能源，電子，醫藥，涂料以及化工等領域。對于高分子/石墨烯復合材料領域，許多研究表面石墨烯的加入可以有效提高高分子材料(聚氨酯、環氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚乙烯亞胺等)的力學性能，賦予高分子材料更多的功能性(導電、導熱、阻隔等)，這些高分子/石墨烯復合材料制備的關鍵在于石墨烯在高分子基體里面的分散狀態以及與高分子之間相互作用。因為石墨烯表面無極性基團，片層之間存在很強的范德華力作用，及易團聚，可以分散在部分有機溶劑中，但水分散性差，這也讓石墨烯在水性聚合物中的應用受到挑戰。

氧化石墨烯是石墨烯的氧化產物，在結構上與石墨烯有類似的片層結構，但片層表面擁有豐富的含氧極性基團(環氧基團、羥基、羧基)，具有良好的水分散性以及可修飾性。對于聚合物/氧化石墨烯復合材料，已有研究表明氧化石墨烯能夠有效改善聚合物力學性能以及阻隔性能。如Xu等人將氧化石墨烯納米片(GONS)與聚乳酸(PLA)共混，利用聚環氧乙烷(PEO)作為界面粘合劑共同構建了三維阻隔網絡，在低氧化石墨烯納米片負載量(0.0344vol％)下，復合材料氧氣滲透系數降低了78.6％。氧化石墨烯的加入增強了分子間氫鍵作用，在微觀上形成了磚墻層狀結構，延長了小分子滲透路徑，起到了阻隔效果。但單純加入氧化石墨烯在聚合物中無法滿足現如今對聚合物包裝材料高性能的要求，如高力學性能，高濕度下阻隔性，高透明性等。為了改善上述的應用缺陷，進一步促進氧化石墨烯在聚合物中的分散性以及與聚合物之間的相互作用，許多研究采用物理改性和化學改性兩種方式來修飾氧化石墨烯。物理改性主要是通過非共價鍵連接的方式如π-π共軛、氫鍵作用、靜電吸附等，化學改性主要是共價鍵連接的方式，其反應發生氧化石墨烯上的含氧基團上，常見的反應如異氰酸酯化，重氮鹽化，脂肪族氨類開環，酰氨化等。但這些改性方式多數發生在有機溶劑體系中，對環境危害較大，在水性聚合物的應用上也存在一些問題。

發明內容

基于上述問題，本發明采用氨基磺酸鹽改性氧化石墨烯，利用共價鍵改性的方式將氧化石墨烯片層表面引入磺酸基團，制備磺酸改性氧化石墨烯水分散液，并與聚乙烯醇共混制備出聚乙烯醇-改性氧化石墨烯復合水分散液。該發明中通過共價鍵作用在氧化石墨烯片層上引入磺酸基團進一步增強了與聚乙烯醇之間的相互作用，從而制備出了相容性高，水分散性好的復合水分散液，提高了材料的力學性能、阻水性能以及高濕度下的阻氧性能。

本發明的第一目的在于，提供一種聚乙烯醇-改性氧化石墨烯納米復合水分散液的制備方法所述方法包括以下步驟：

步驟1，用氨基磺酸鹽改性氧化石墨烯，得到改性氧化石墨烯分散液；

步驟2，將聚乙烯醇加入到改性氧化石墨烯水分散液中，得到聚乙烯醇-改性氧化石墨烯納米復合水分散液。

在一種實施方式中，所述步驟1為，將氧化石墨烯濾餅加入水，在冰浴中超聲0.5～2h超聲形成均勻的氧化石墨烯水分散液，隨后加入氨基磺酸鹽，72℃下持續攪拌12h，離心洗滌，得到改性氧化石墨烯分散液。

在一種實施方式中，所述步驟1中，所述氧化石墨烯與氨基磺酸鹽的質量比為2∶(1-5)。

在一種實施方式中，所述的氧化石墨烯濾餅固含為20-50％，片徑為1-50μm，厚度為0.5-2nm。