[发明专利]一种石墨烯/聚酯纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/聚酯纳米复合材料及其制备方法，通过在聚酯前驱体中加入褶球状氧化石墨烯和催化剂，在发生缩聚反应的同时，褶球状氧化石墨烯高度分散，并逐步解离为单层氧化石墨烯片，部分酯化分子可与氧化石墨烯片表面的羟基、羧基反应形成化学键，同时使氧化石墨烯发生热还原，最终得到由聚酯和表面接枝有聚酯分子的石墨烯片组成的复合材料。本发明方法提高了单层石墨烯在聚酯中的分散性，避免了酯化阶段中氧化石墨烯的堆叠，大大节约了成本，提高了生产效率。所得纳米复合材料的均匀性好，石墨烯与聚酯间共价键的形成有效提高了体系的力学性能、电导率、防紫外性等性能。本发明所涉及制备工艺简单有效，可有效节约成本，所得复合材料性能优越，并可用于连续化纺丝和功能性织物的制备。

技术领域

本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种石墨烯/聚酯纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

聚酯是由多元醇和多元酸缩聚而得的聚合物总称，常见聚酯材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲酯(PCT)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等。聚酯具有悠久的历史，自发现以来，被广泛应用于包装材料，塑料容器，纤维织物，光学材料等领域，并且不断进行更新换代，出现了诸如合金，共聚，纳米复合等全新工艺，丰富了聚酯材料的种类，也赋予了聚酯其他诸多性能。随着社会的不断发展，差异化的使用条件和新的实际需求给聚酯材料提出了更高的要求，因此如何进一步提升聚酯的性能，获得新性能成为聚酯材料研发的重要课题。

在提升聚酯性能的诸多方案中，引入增强材料是一种可快速规模生产，具有高性价比的方法。常规增强材料包括金属材料(纳米线、纳米粒子)、无机填料(蒙脱土、二氧化钛、二氧化硅、氮化硼等)和碳材料(炭黑、石墨等)。常规增强材料存在两大缺陷，一方面需要很高添加量才能获得令人满意的效果，但高添加量伴随着其他性能的下降，难以实现性能的全面提升，另一方面增强效果往往是单一的，不能同时对多个性能进行提高。这些问题导致常规增强材料的性价比偏低，不能令人满意。

石墨烯是一种原子厚度的二维材料，具有超高的比表面积、优异的力学性能、高导电率、高导热率和高阻隔性。并且，加入少量石墨烯可同时提高材料的诸多性能，具有超高的性价比，这使其在复合材料方面得到广泛研究。但石墨烯容易团聚，会重新形成石墨堆叠结构，降低了其增强效果。虽然可以通过添加分散剂和进行表面修饰的方法来促进石墨烯的分散性和降低石墨烯的堆叠，但是这些方法提高了石墨烯的成本，并且引入了新的成分。专利201510514154.7《氧化石墨烯改性聚酯材料的制备方法》采用在酯化前将氧化石墨烯加入氧化石墨烯水溶液，一方面水的加入对酯化和缩聚会产生影响，另一方面酯化阶段氧化石墨烯发生还原，可能产生堆叠，降低性能。专利201280033203.X《聚对苯二甲酸乙二酯-石墨烯纳米复合物》将石墨烯纳米片加入聚酯聚合体系，多层石墨烯使得添加量较高(2～15％)，而且由于没有官能团存在，石墨烯在聚合过程中会发生二次堆叠，形成不相容的缺陷点。

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/聚酯纳米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/聚酯纳米复合材料，包括聚酯和均匀分散在聚酯中的单层石墨烯片，所述石墨烯片表面与聚酯分子通过共价键相连，聚酯分子选自聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲酯(PCT)中的一种或多种。

一种石墨烯/聚酯纳米复合材料的制备方法，由以下步骤制备进行：

(1)通过雾化干燥法将尺寸为1～50微米的单层氧化石墨烯分散液干燥，得到褶球状氧化石墨烯，其碳氧比为2.5～5；

(2)将100重量份对苯二甲酸、50～150重量份二醇、0.01～0.5重量份催化剂充分混合搅拌，在200～260℃下进行酯化反应至无水生成；