[发明专利]一种石墨烯-碳纳米管混杂复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种功能高分子材料及器件技术领域的制备方法，特别是涉 及一种石墨烯-碳纳米管混杂复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯(graphene，详见：Novoselov K S，et al.Electric field effects in atomically thin carbon films.Science，2004，306：666-119)是由单层碳原子紧密 堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，它是构建其它维度碳质材料 (如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元。石墨烯具有优异的 电学性能和热学性能，其室温电子迁移率可达15000cm²V^-1S^-1，热导率可达 3000Wm^-1K^-1；此外，石墨烯价格低廉、原料易得，其独特的二维结构能够 进行有效的电热传输，有望在高性能电子器件、场发射材料、气体传感器及 能量存储等领域获得广泛应用。但由于石墨烯具有二维的片状结构，其在使 用过程中特别容易卷曲和高度皱折；尤其是采用熔融共混法制备聚合物复合 材料时，石墨烯在剪切力作用下更容易发生卷曲和高度皱折，不利于在基体 内形成高效的输运网络。碳纳米管(carbon nanotube，CNT)是1991年由Iijima 发现的一种新型碳材料，它可以看成是由石墨烯卷成的无缝中空管体，其长 度为数微米至数毫米，直径在几纳米到几十纳米之间。由于其独特的结构， 碳纳米管在力学增强和电子长程传输等方面具有显著的优势；但存在易于团 聚和成本高等缺点。

关于石墨烯混杂聚合物复合材料制备技术已有报道，例如：中国专利， CN200910067708.8陈永胜等，《石墨烯与碳纤维复合材料及其制备方法》， 其主要特征包括：它是以石墨烯和碳纤维材料为原料，通过涂覆的方法在碳 纤维材料表面涂覆石墨烯涂层制备而成，涂层的厚度为1纳米-5微米。中国 专利，CN101474897陈永胜等，《石墨烯-有机材料层状组装膜及其制备方 法》，其主要特征包括：以石墨烯材料和有机材料为原料，利用石墨烯与有 机材料之间的静电、氢键、配位键或电荷转移等相互作用，通过旋涂、喷涂、 浸渍-提拉等薄膜制备方法层层叠加成膜。中国专利，CN101474899陈永胜 等，《石墨烯-无机材料复合多层薄膜及其制备方法》，其主要特征包括： 以石墨烯材料和无机材料为原料，通过喷涂、旋涂、浸渍、化学沉积等常用 薄膜制备方法层层叠加成膜，每层膜厚可根据需要控制在10纳米-2毫米。 以上方法中，都没有提及利用石墨烯和碳纳米管混杂技术形成缠绕交织网 络，而且制备中多采用旋涂技术形成复合薄膜。

发明内容

本发明的目的在于提出一种石墨烯-碳纳米管混杂复合材料的制备方 法，通过在溶剂中搅拌和超声振荡使得碳纳米管与石墨烯形成混杂穿插结 构，可以有效地防止石墨烯的卷曲或折皱，充分发挥石墨烯优异的二维电热 传输特性；这种石墨烯-碳纳米管的混杂输运网络，可以使石墨烯和碳纳米 管在结构和功能设计上形成互补，在满足导热、导电功能的同时，显著降低 功能填料的掺量、降低复合材料的成本。此外，由于其输运网络结构可以根 据使用要求进行预先设计和构建，具有较大的设计自由度。

本发明所采用的技术方案是：

一种石墨烯-碳纳米管混杂复合材料的制备方法，该制备方法的工艺步 骤如下：

(1)配制包含石墨烯、碳纳米管、分散溶剂的悬浮体系，经搅拌、超 声振荡使得石墨烯和碳纳米管相互穿插、缠绕形成连通的网络结构；

(2)加入聚合物颗粒，经搅拌和超声振荡，使得聚合物颗粒表面被石 墨烯-碳纳米管交织网络所包裹；

(3)去除溶剂后，形成石墨烯-碳纳米管包裹于聚合物颗粒表面的均 匀混合体系；

(4)将所述混合体系放入模具中，经升温热压成型、冷却脱模后制得 石墨烯-碳纳米管混杂复合材料。

所述的一种石墨烯-碳纳米管混杂复合材料的制备方法，所用的石墨烯 是指单层石墨片、多层石墨片或它们的混合物；所用的碳纳米管是指直径为 5-200纳米、长度为0.1-100微米的中空管状碳材料。

所述的一种石墨烯-碳纳米管混杂复合材料的制备方法，所用的分散溶 剂为无水乙醇、丙酮、甲苯和苯乙烯。