[发明专利]石墨烯复合材料

说明书

技术领域

本发明有关于一种石墨烯复合材料，尤其是利用具有表面改质层的奈米石墨烯片以改善与填充剂、母体树脂之间的兼容性，进而能均匀混合并提高界面结合强度形成一高性能的复合材料。

背景技术

如众所周知，石墨烯(graphene)是以sp²混成轨域组成六角形蜂巢排列的二维晶体，厚度0.335nm，仅一个碳原子直径，是目前世上最薄也是最坚硬的材料，尤其是同时拥有杰出的导电与导热性质，其中机械强度可远高于钢铁百倍，而比重却仅约钢铁的四分之一。因此，石墨烯是提升复合材料特性的极佳选择之一。

然而，石墨烯本质上非常容易聚集堆栈，因此，为得到高均匀性且层少数的石墨烯粉体，且能避免石墨烯薄片彼此不均匀地堆栈的现象，一直以来都是石墨烯在实际应用上最急需解决的主要技术困难点。

高分子材料具有广泛应用性，但随着科技快速发展，对材料性质的要求日趋严格。传统的单一高分子材料已无法满足工业与科技业对材料同时在机械性、化学稳定性、耐候性与导热、导电性的需求。以工程塑料的尼龙为例，虽然本身具有优异的机械强度、耐磨耗与耐热性等，但是吸湿性大、耐酸性差，尤其是容易氧化、变质，甚至造成分子链的断裂。因此，高分子材料在实际应用领域上相当受限。

在一般现有技术中，为改善高分子的性能，可藉结合塑料高分子与奈米材料以形成奈米复合材料，进而减轻重量，改善加工性，提高机械强度，比如耐冲击力。目前，奈米复合材料已广泛的应用于汽车、航天、信息、医药等工业，或甚至产生新性能，藉以拓展材料应用领域，满足未来科技发展对材料性能的需求。

在中国专利CN103194059A中，揭露一种低成本低添加导电尼龙6的复合材料，主要是将石墨烯、导电碳黑与尼龙6在高速混合机均匀混合后，使用双螺杆挤出机挤出而造粒，或直接采用分段式馈料双螺杆挤出机，得到低成本低添加导电尼龙6复合材料。虽然此制程所得复合材料较原尼龙6具更优异的导电性质，但是此制程仅在中低黏度尼龙6适用，若使用于高黏度或其它与石墨烯亲和力较差的高分子，则无法在此制程中将石墨烯均匀分散于基料高分子中。

在另一中国专利CN102321379B中，则是揭露一种导电性石墨烯/聚合物复合材料，通过溶液共混或机械共混的方法制备导电性石墨烯/聚合物复合材料。此外，中国专利CN102850543A中，将经喷雾干燥得到石墨烯微球与液态导电聚合物单体混合、浸润，在与含有氧化剂的酸溶液混合，进行聚合反应，经还原处理后得到石墨烯/导电聚合物复合材料，此法虽然可得到均匀分散的石墨烯/导电聚合物复合材料，但需在单体合成聚合物时即加入石墨烯，在制程应用上缺乏弹性，不利于产业利用性。

美国专利US20120301707A1所揭示的一种石墨烯聚合物复合材料，其制作方式是将石墨烯或官能基化石墨烯利用黏结剂黏附至高分子基材，并以保护层覆盖于所述石墨烯或官能基化石墨烯；另一方式则是将分散于液体载体的石墨烯或官能基化石墨烯浆料涂布成膜。然而此方法仅在对象表面覆盖一石墨烯层，改变对象表面特性，而非与对象均匀混合改变整体特性。

因此，需要一种石墨烯复合材料，利用石墨烯上改质表面的官能基改善与填充剂、塑料高分子之间的兼容性，进而能均匀混合并提高界面结合强度形成一高性能的复合材料，有效提升复合材料的机械强度与导热导电特性，藉以解决上述现有技术的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种石墨烯复合材料，包括母体树脂、填充剂及奈米石墨烯片，其中奈米石墨烯片具有表面改质层，由表面改质剂而形成，并由表面改质层的亲水性及亲油性官能基，使得奈米石墨烯片能与填充剂及母体树脂产生化学键结，大幅改善界面结合强度。此外，利用具有表面改质层的奈米石墨烯片以改善与导电碳黑、母体树脂之间的兼容性，使所述表面改质的石墨烯奈米片均匀分散于母体树脂中，且所述石墨烯奈米片之间可透过导电碳黑而相互接触连接，进而实现高性能的复合材料。

较佳的，填充剂的粒径与石墨烯奈米片厚度的比值介于2-1000之间。