[发明专利]一种石墨烯/水性聚氨酯复合材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯/水性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于首先采用改进的Hummers法制得氧化石墨烯水分散液；然后利用乙二胺还原改性氧化石墨烯得到改性石墨烯水溶液；再以二异氰酸酯、低聚物二元醇及扩链剂，合成线性聚氨酯预聚体；最后向线性聚氨酯预聚体中加入中和剂进行中和，将改性石墨烯水溶液与其共混，制得石墨烯/水性聚氨酯复合材料。本发明制得的石墨烯/水性聚氨酯复合材料中的两个组分相容性较好，并且石墨烯改性提高了水性聚氨酯的热稳定性和机械强度，可作为环保型水性涂料，具有广泛的应用前景。

主权项

一种石墨烯/水性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)在冰水浴中，将石墨粉、浓硫酸和硝酸钠混合并搅拌均匀，缓慢加入高锰酸钾，在冰水浴条件下搅拌反应2‑3小时，然后在25～40℃下搅拌24小时；缓慢滴加适量蒸馏水并搅拌15‑30min，再加入蒸馏水稀释，获得混合液；向所述混合液中缓慢搅拌滴加双氧水以还原剩余的KMnO4和MnO2；静置至泡沫消失，然后搅拌加入盐酸溶液，静置得到沉淀；离心分离所述沉淀并洗涤至pH＝5～7，即得氧化石墨；所述石墨粉、硝酸钠和高锰酸钾的质量比为1：0.5～1.5：3～9，所述浓硫酸体积与所述石墨粉质量的比例为20‑35mL/g，第一次所加蒸馏水的体积与所述石墨粉质量的比例为30‑50ml/g；(2)将步骤(1)所获得的氧化石墨分散在水中，再进行超声波剥离，制得氧化石墨烯水分散液；所述超声波剥离是在30℃以下，以50～100Hz超声剥离1‑2h，然后用透析袋透析7～10d，制得氧化石墨烯水分散液；所述氧化石墨的质量与水的体积比为1‑6mg/mL；(3)加碱调节步骤(2)所获得的氧化石墨烯水分散液的pH至8～12，然后加入乙二胺，在50～100℃加热反应8～24h，冷却至室温，得到改性石墨烯水分散液；用有机溶剂洗涤数次，真空干燥后重新分散得改性石墨烯水溶液；(4)在惰性气氛下，将二异氰酸酯和低聚物二元醇在60～100℃反应0.5～4小时，然后加入扩链剂1，于60‑100℃反应0.5‑5小时；再加入扩链剂2，于40‑80℃反应10分钟至4小时，添加适量丙酮调节粘度，获得‑NCO封端的线性聚氨酯预聚体；所述二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、1,6‑己二异氰酸酯和二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种或几种的混合物；所述低聚物二元醇为聚四氢呋喃、聚己二酸丁二醇酯、聚氧化丙烯、聚乙二醇，聚ε‑己内酯二醇、聚己二酸乙二醇酯二醇和聚己二酸乙二醇‑丙二醇酯二醇中的一种或几种的混合物；所述扩链剂1和扩链剂2各自独立的选自二羟甲基丙酸、二羟基半酯、1，4‑丁二醇、1，3‑丁二醇、己二醇、辛二醇、癸二醇、一缩二乙二醇和乙二醇中的一种或几种的混合物；低聚物二元醇、二异氰酸酯、扩链剂1及扩链剂2的摩尔比为10:40～50:10～15:22～28；(5)降温至30～40℃，向所述‑NCO封端的线性聚氨酯预聚体中加入中和剂中和10‑30min，获得水性聚氨酯预聚体；再向所述水性聚氨酯预聚体加入步骤(3)所获得的改性石墨烯水溶液，高速搅拌0.25‑0.5h，减压蒸馏去除丙酮，制得改性石墨烯/水性聚氨酯复合材料。