[发明专利]一种塑料增强用石墨烯碳酸钙纳米球及制备方法

说明书

本发明的目的在于提出一种塑料增强用石墨烯碳酸钙纳米球，将氟化石墨烯、氧化石墨烯制备成分散液，将球形纳米碳酸钙分散于分散液，加入铜氨液、水合肼，水合肼将氟化石墨烯、氧化石墨烯还原成石墨烯，同时铜离子在碳酸钙表面形成沉积铜，将石墨烯牢固附着在碳酸钙表面，形成一种石墨烯碳酸钙纳米球。该石墨烯碳酸钙纳米球易于添加分散于聚合物，是良好的增强材料。该材料有效地解决了石墨烯难以分散于聚合物的技术难题，可以直接用于高分子聚合物材料的改性，石墨烯界面增强性能得到最大程度的发挥，同时提高高分子材料的力性能、热性能、电性能、电磁屏蔽、抗菌等性能，得到性能优异的高分子纳米复合材料。

技术领域

本发明属于碳材料领域和复合材料领域，具体涉及一种塑料增强用石墨烯碳酸钙纳米球及制备方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。它的厚度大约为0.335nm，根据制备方式的不同而存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大约1nm左右，水平方向宽度大约10nm到25nm，是除金刚石以外所有碳晶体（零维富勒烯，一维碳纳米管，三维体向石墨）的基本结构单元。广义的石墨烯实际是多层或厚层石墨烯，厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

当前石墨烯大都在进行单层石墨烯的制备和应用研究，从而由于成本高，只在高端的触屏、电子等领域应用，严重阻碍了石墨烯的大规模应用。尽管研发和试产有所突破，但大规模制备高质量、低成本的石墨烯，仍是产业化亟待解决的问题。目前规模化制备单层高质量石墨烯还需要很长的路走，使石墨烯产业化应用受到阻碍。而实际上，石墨烯的应用并不一定需要单层石墨烯，多层、甚至几十层、上百层的石墨烯微片、石墨烯纳米片具有低成本的特性，在复合材料方面具有巨大的应用潜力。如石墨烯微片与高分子材料复合，可以提高高分子材料的力性能、热性能、电性能及电磁屏蔽等性能，得到性能优异的高分子纳米复合材料。石墨烯在复合材料领域的应用，作为可替代传统材料成为最具工业开发价值的新材料。石墨烯在复合材料的应用成为推动石墨烯应用的突破口，也是推动传统产业创新转型和升级换代的重要推手。

随着石墨烯在复合材料领域的应用，将极大地推动石墨烯产业化进程向前发展。石墨烯有望在不久的将来作为塑料填料取代碳纳米管、碳黑、膨胀石墨、碳纤维等传统纳米碳材料。石墨烯在聚合物中复合，希望通过极少的添加量达到优异的力学性能提升。如何使极少量的石墨烯在聚合物中有效分散，是目前面临的技术瓶颈。结构完整的石墨烯表面是由不含任何不稳定键的六元环组合而成的二维晶体，其表面呈惰性状态，是典型的双疏结构，与聚合物相互作用力小，而且石墨烯片层之间有较强的范德华力，容易产生聚集，很难在聚合物基体中分散，这严重影响了石墨烯在聚合物改性中的应用。而现有常规分散技术难以克服目前的缺陷。利用氧化石墨烯片层结构上的羧基、羟基和环氧基等含氧基团，对其进行共价修饰和非共价修饰可增加分散性，但氧化改性的石墨烯其增强性能并不明显。

鉴于石墨烯聚合物复合物材料的优异性能和石墨烯在聚合物基体中的分散性和相容性存在明显的缺点，确有必要采用新思路和新工艺将石墨烯先改性为石墨烯碳酸钙纳米球再混入聚合物材料，避免了石墨烯在聚合物基体中的分散性和相容性问题，这对于拓展石墨烯应用领域和改性聚合物材料有至关重要的意义。

发明内容

针对现有石墨烯在聚合物中直接分散存在团聚严重，难以分散的缺陷，本发明提出一种塑料增强用石墨烯碳酸钙纳米球，其特征是以碳酸钙纳米球为核，通过铜氨液还原形成的铜，将石墨烯牢固固定在碳酸钙纳米球表面形成的石墨烯碳酸钙纳米球。该石墨烯碳酸钙纳米球在聚合物中具有优异的分散性，有效地解决了石墨烯难以分散于聚合物的技术难题，可以直接用于高分子聚合物材料的改性，石墨烯界面增强性能得到最大程度的发挥，同时提高高分子材料的力性能、热性能、电性能及电磁屏蔽等性能，得到性能优异的高分子纳米复合材料。