[发明专利]一种石墨烯/聚乳酸复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯/聚乳酸复合材料及其制备方法，属于高分子功能材料技术领域。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。由于其独特的结构，石墨烯具有很高的杨氏模量和热导率，分别约为1060GPa和3000W·m^-1K^-1；电导率高达6000S/cm、以及比表面积高达2600m²/g等诸多优异性能，在航天军工、电磁防护、太阳能电池、超级电容器、柔性显示屏、传感器、能量储存、吸附和催化等诸多领域具有潜在应用，由于具备上述性能，石墨烯在石墨烯复合材料领域具有广阔的应用前景，得到了国内外众多学者的广泛研究。

聚乳酸是目前研究应用相对较多的可再生资源由来的一种降解材料，它是以淀粉发酵(或化学合成)得到的乳酸为基本原料制备得到的一种对人体无毒无刺激的环境友好材料，它不仅具有良好的物理性能，还具有良好的生物相容性和降解性能。

石墨烯掺杂将会赋予聚乳酸优异的电学性能。由于石墨烯掺杂聚合物导电性的渗流阈值非常小，少量的石墨烯掺杂就能获得较高的电导率。因此，相比碳粉和金属颗粒的掺杂，石墨烯掺杂将使得聚乳酸在获得导电性的同时兼顾了力学性能。考虑到石墨烯和聚乳酸的协同效应，获得的复合材料的力学性能有可能优于单纯的聚乳酸。

为了有效地提升石墨烯/聚乳酸复合材料的导电性，必须将石墨烯均匀分散在聚乳酸基体中。目前，对于石墨烯在各种聚合物基体中的分散已有许多研究报道，大量研究表明，石墨烯与大多数聚合物体系进行简单的混合表现出分散性较差的缺点。石墨烯的分散方法一般是将石墨烯采用共价或非共价键的方式进行修饰，获得具有较好分散性的功能化石墨烯，然后通过溶液或熔融共混等方式与树脂基体混合，实现石墨烯在树脂中的相对良好分散。然而，将石墨烯采用共价或非共价键的方式进行修饰，一来程序复杂，成本较高；二来这些修饰往往会降低石墨烯的导电性能；再者，对于聚合物修饰或其他小分子修饰的石墨烯，其热稳定性都有大幅下降。因此，常规的熔融共混方法也很难在保持石墨烯性能的同时实现石墨烯在树脂基体中的良好分散。

国内外对于石墨烯复合材料的研究，在现有的技术中，中国专利公开号CN102153877A，公开日2011.08.17，发明名称为“石墨烯复合材料及其制备方法”，该申请方案采用石墨烯和有机硅烷为反应物，所述有机硅烷发生水解后与石墨烯上的羟基发生脱水缩合反应，得到有机硅烷改性的石墨烯，制备的石墨烯复合材料具有良好的力学性能，但是石墨烯在复合材料中分散性不好。中国专利公开号CN101812194A，公开日2010.08.25，发明专利为“一种石墨烯基阻隔复合材料及其制备方法”，该申请案用偶联剂对氧化石墨烯的表面进行功能化修饰，使其表面接枝活性官能团，然后再将修饰后的氧化石墨烯还原成石墨烯，将经修饰的石墨烯采用机械分散的方法分散到聚烯烃溶液中，在引发剂的作用下交联键和，得到纳米复合材料，但是，该方法在制备石墨烯复合材料的过程中石墨烯很容易发生团聚，采用机械分散的方法很难将修饰的石墨烯均匀分散到聚烯烃基体中，从而使得制备的石墨烯复合材料的力学性能提高得不明显。

发明内容

本发明的目的是提出一种石墨烯/聚乳酸复合材料及其制备方法，制备石墨烯分散均匀的聚乳酸复合材料，以解决已有技术中石墨烯与大多数聚合物简单混合后表现出较差分散性的问题，利用氧化石墨烯、石墨烯容易分散于水溶液的特点，通过氧化石墨烯、石墨烯的乳酸混合物的原位聚合，氧化石墨烯在聚乳酸(PLA)缩聚过程中热还原生成石墨烯，从而制备石墨烯分散均匀的聚乳酸复合材料。

本发明提出的石墨烯/聚乳酸复合材料，其中的成分为：

石墨烯    0.01-10wt%

聚乙二醇  1-20wt%

其余为聚乳酸。

本发明提出的上述石墨烯/聚乳酸复合材料的制备方法，包含以下的步骤：

（1）在边搅拌边将氧化石墨烯或石墨烯加入到质量百分比浓度为50-90wt%的L-乳酸水溶液中，加入的质量比为：氧化石墨烯或石墨烯:L-乳酸水溶液=1:10-8000，制成氧化石墨烯或石墨烯分散均匀的混合液；

（2）在惰性气流下，或压力为0.1-10kPa的负压下，将步骤（1）得到的混合液在100-180℃下进行脱水处理1-5小时，得到乳酸与氧化石墨烯或乳酸与石墨烯的混合物；