[发明专利]石墨烯/聚合物导电复合材料

说明书

技术领域

本发明属于工程材料领域，具体涉及一种高性能高导电、导热石墨烯/聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种有sp²杂化的碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料，厚度为一个或多个原子层。石墨烯表现出优异的电子传输能力，室温下其电子迁移率高达15000cm²/V·S。

制备高性能石墨烯/聚合物导电复合材料的关键在于获得层数单一的石墨烯及石墨烯在聚合物中的均匀分散。到目前为止，石墨烯可通过一下四种方法得到：化学汽相沉积法、外延生长法、机械剥离法及氧化还原法，只有氧化还原法使得大量石墨烯应用于复合材料。石墨烯/聚合物复合材料可以实现材料的优势互补与加强，石墨烯可以极大地提高聚合物材料的机械性能，这是由于石墨烯具有高的比表面积，强的纳米材料-基体界面作用和sp²杂化的优良机械性能。石墨烯/聚合物复合材料具有良好的导电性，可以广泛应用于超级电容器、汽车防静电挡泥板、门把手、镜盒及周转箱等。目前石墨烯/聚合物复合材料的制备方法可采用熔融、溶液及原位还原法，但是只有熔融共混的方法可以实现工业化生产，可是随之而来的问题是石墨烯在自团聚问题，这样会影响其电导率，导电性能得不到充分的发挥。

发明内容

本发明提供了一种有效的石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，其特点是以天然鳞片石墨为原料，通过改进的Hummers法制备氧化石墨，通过带有疏水官能团的化合物进行表面改性，提高其亲油性，超声剥离改性氧化石墨，然后利用还原剂还原，使共轭体系恢复，导电性恢复，保留小部分溶剂，使其分散在溶剂中，采用双螺杆、单螺杆等熔融共混的方式得到最终复合材料。

本发明的技术方案是这样的：石墨烯/聚合物导电复合材料的制备，其步骤如下：

（1）氧化石墨（GO）的制备

在冰水浴或具有冷凝设备的反应器中加入适量的浓硫酸，并在搅拌的情况下慢慢加入石墨粉及硝酸钠固体，再分次加入高锰酸钾，控制温度为0-20℃范围内，然后继续搅拌，随后升温，温度不得超过40℃，在搅拌情况下反应30-80min，用适量的去离子水稀释反应液，然后用还原剂将未反应的氧化剂还原，最后用大量的去离子水洗涤并用离心机将固液混合液分离，去除上层液体得到氧化石墨（GO）。

（2）氧化石墨（GO）改性

将氧化石墨与含有脂肪链或芳香基的胺类、羧酸类及酯类分散或溶解在合适的有机溶剂中，如DMSO、苯、甲苯、丙酮、环己烷、DMF等，然后在酸性或碱性条件下反应0-5h，得到改性氧化石墨分散液。

（3）氧化石墨（GO）的还原

将氧化石墨分散液在超声功率10-50000W，频率为10-100000Hz，温度为20-250℃，超声分散10-400min，再加入还原剂0.1-150wt%，继续超声10-20h，得到均匀分散的单层或多层石墨烯溶液。其中还原剂为水合肼、硼氢化钠、维生素C和柠檬酸氢钠中的至少一种。

（4）石墨烯/聚合物的制备

将80-95wt%高分子聚合物、0-15 wt%的单层或多层石墨烯，0.1-2 wt%抗氧剂，0.1-3 wt%的增塑剂加入到单螺杆或双螺杆挤出机中，于温度10-380℃中熔融共混1-30min，挤出料粒，注塑成型，获得聚合物/石墨烯导电复合材料的制备。其中单螺杆或双螺杆挤出机经过改造，使其具有超声功能，更加有利于石墨烯在聚合物中的分散，防止石墨烯的自团聚。

上述步骤中的聚合物为尼龙6、尼龙66、聚苯胺、聚酰胺、聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乳酸、ABS、PC、酚醛树脂、环氧树脂中的至少一种。

上述步骤中的抗氧剂为季戊四醇、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、三（2,4-二叔丁基苯基）酯、丙酸正十八碳醇酯、亚磷酸三（2,4-二叔丁基）酯中的至少一种。

上述步骤中的增塑剂为硬脂酸、邻苯二甲酸酯和脂肪族二甲酸酯中的至少一种。

具体实施方式

以下实例属于本发明领域，但本发明不局限于一下实例。

实施例1：

（1）首先在挤出造粒之前，将尼龙66材料在60-80℃鼓风干燥10小时。

（2）各组分和按100wt%计算，准确称量预处理的尼龙66材料95-98wt%、并加入1-2 wt%抗氧剂N-异丙基-N’-苯基对苯二胺，1-3 wt%的增塑剂硬脂酸。将混合物料在高混机上混合均匀，然后在双螺杆挤出机上熔融共混，经挤出机口模牵引成条，在水槽中用循环水冷却降温，经直接牵引后由切粒机切成粒子，并在注塑机上注塑成型。