[发明专利]一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料及其制备方法，该复合材料由纸团状石墨烯微球和浇铸尼龙组合而成。这种复合材料是通过首先制备纸团状石墨烯微球，再与己内酰胺熔体混合，浇铸聚合而成。所得纸团状石墨烯微球具有良好的力学性能和弹性，能有效吸收冲击，稳定性强，添加至浇铸尼龙中分散性好，纸团状结构降低了石墨烯的堆叠，提高了整体的稳定性。在施加外力的情况下石墨烯微球可充分吸收应力，并且可以提高材料整体的润滑性。

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种单原子厚度的二维单层层状材料，由碳六元环组合而成。石墨烯自身拥有高强度(130GPa)、高导热率(5000W m^-1K^-1)、高导电率(10⁸S m^-1)以及高化学稳定性等特性，自发现以来收到了研究者的广泛关注。石墨烯本身组装而成的材料性能受限于组装方式和成型工艺，目前并不能充分发挥石墨烯的独特性能，因而，将石墨烯用于复合材料的制备是目前石墨烯应用的主流方向之一。尼龙6(聚酰胺6)是尼龙工程所料中产量最大和应用最广的产品，其综合性能好、性价比高。可以应用于汽车工业、电器工业、机械行业以及民用生活材料等诸多领域。许多研究者试图将石墨烯与尼龙6复合得到高性能的复合材料。

石墨烯/尼龙6复合材料的综合性能取决于以下几个方面：(1)石墨烯在聚合物基体中的分散性；(2)石墨烯与尼龙界面间的结合力；(3)石墨烯自身的性能。石墨烯片间由于强π-π相互作用，容易产生团聚现象，影响其性能，并且石墨烯本身为非极性碳材料，与极性的尼龙6分子之间没有良好的相互作用。为了解决这些问题，对石墨烯进行化学修饰是一种常用手段，通过引入极性官能团，既降低了石墨烯的团聚趋势，也提高了是石墨烯与尼龙6的结合能力，甚至可以通过原位聚合的手段使石墨烯与尼龙6发生共价接枝。专利CN102108123《浇铸尼龙6-氧化石墨纳米导电抑菌复合材料的制备方法》采用氧化石墨和己内酰胺进行原位浇铸聚合的方法得到复合材料，具有优异的性能。专利CN103304803《一种铸型尼龙-改性氧化石墨纳米复合材料的制备方法》通过对石墨烯进行氨基化处理，增强了与浇注尼龙的相互结合力，提高了复合材料的性能。然而，对石墨烯本身性能的优化鲜有工作报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术不足，提供一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料，由0.1～5份纸团状石墨烯微球和100份浇铸尼龙组合而成。所述纸团状石墨烯微球由单层石墨烯片皱褶而成，微球直径为500nm～5μm，密度为0.2～0.4g/cm³，碳氧比为20～60，比表面积低于200m²/g。

进一步地，所述纸团状石墨烯微球由以下步骤制备得到：

(1)通过雾化干燥法将单层氧化石墨烯分散液干燥，得到氧化石墨烯微球；

(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯微球，置于还原性气体氛围中进行还原，得到还原氧化石墨烯微球；

(3)将步骤(2)得到的还原氧化石墨烯微球进行高温处理，温度高于1000℃，得到纸团状石墨烯微球。

进一步地，所述步骤(1)的单层氧化石墨烯分散液中，还可以含有还原剂。在雾化过程中，氧化石墨烯片发生褶皱，同时，还原剂以分子形态附着在片层表面。所述还原剂为碘化氢、溴化氢、水合肼、维生素C、硼氢化钠等。还原剂与单层氧化石墨烯质量比为0.1～10。所述步骤(1)中的雾化干燥温度为100～200℃，使得包裹在褶皱结构中的还原剂对氧化石墨烯进行初步还原。

进一步地，步骤(2)中所述的还原性气氛为水合肼蒸汽、氢碘酸蒸汽、氢气、氢溴酸蒸汽中的一种或多种。还原条件为：在60～200℃下还原30min～48h左右。