[发明专利]制备石墨烯增强的聚合物基质复合材料的原位剥离方法

说明书

相关申请的交叉引用

根据35USC§119(e)，本申请要求于2013年4月18日提交的美国临时专利申请序号为61/813,621的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及将含有良好结晶的石墨颗粒的聚合物复合材料转换为具有多种商业应用的纳米分散的单层或多层石墨烯颗粒的高效率混合方法。本发明还涉及使用原位机械剥离来活化石墨或石墨烯的方法。

发明背景

聚合物组合物被越来越多地用于许多领域中，这些领域传统上使用其它材料如金属。聚合物具有许多期望的物理性质，并且质轻和价廉。此外，许多聚合物材料可以被制成许多形状和形式，且在其呈现的形式中表现出显著灵活性，并且可以被用作涂料、分散体、挤出和模塑树脂、糊剂、粉剂以及类似物。

存在期望使用聚合物组合物的多种应用，其需要具有导电性的材料。然而，相当数量的聚合材料本质上不具有足以用于许多这样的应用的导电性或导热性。

石墨烯是由纯碳组成的物质，其中原子以六边形图案排布在紧密堆积的一个原子厚的片材中。这种结构是理解许多碳基材料，包括石墨、大富勒烯，纳米管以及类似物的基础(例如，碳纳米管通常被认为是卷成的纳米大小的圆柱体的石墨烯片材)。石墨烯是sp²键合的碳原子的单平面片材。因为片材具有有限的大小并且其他元素可以以非零(non-vanishing)化学计量比连接在边缘，因此，石墨烯不是碳的同素异形体。

当用于增强聚合物时，任何形式的石墨烯通过抑制裂纹扩展而提高聚合物韧性。石墨烯也可以被添加到聚合物和其它组合物中以提供导电性和导热性。石墨烯的导热性使其成为用于电子装置和激光器的热管理(例如，平面散热)的理想添加剂。碳纤维增强的聚合物基质复合材料(CF-PMC)的一些商业应用包括飞机和航空航天系统、汽车系统和车辆、电子、国防/安全、压力容器以及反应室等。

有效生产石墨烯增强的聚合物基质复合材料(G-PMC)的低成本方法的开发进展仍然非常缓慢。目前，所存在的影响可用在现实世界的应用中的G-PMC开发的一些挑战包括材料昂贵，以及目前使用的化学和/或机械操作用于大规模商业化生产是不切实际的。因此，将期望适于大规模商业化生产的生产G-PMC的低成本方法，该方法提供许多特性优点，包括提高的比刚度和强度、增强的导电性/导热性以及光学透明度的保留。

发明概述

本公开提供一种聚合物加工方法，该方法通过分散在熔融聚合物基质中的良好结晶的石墨颗粒的拉伸流动(elongational flow)和折叠(folding)来制造石墨烯增强的聚合物基质复合材料(G-PMC)。

在一个方面，本文提供用于形成石墨烯增强的聚合物基质复合材料的方法，该方法包括：将石墨微粒分布到熔融热塑性聚合物相中；和向熔融聚合物相施加一系列(a succession of)的剪切应变过程，以使所述熔融聚合物相随着每个过程剥离石墨，直到至少50％的石墨被剥离，以在所述熔融聚合物相中形成沿着c轴方向厚度小于50纳米的单层和多层石墨烯纳米颗粒的分布。

在某些实施方式中，石墨颗粒可以通过将含有石墨的矿物质压碎和磨碎到毫米大小的尺寸来制备。

在某些实施方式中，毫米大小的颗粒可以使用已知方法如球磨研磨(ball milling)或超微球磨(attritor milling)缩减至微米大小的尺寸。

在某些实施方式中，石墨颗粒优选通过浮选(flotation)法从微米大小的颗粒混合物提取。

在某些实施方式中，所提取的石墨颗粒可以通过使用具有轴向槽纹延伸(axial fluted extensional)的混合元件或螺纹延伸(spiral fluted extensional)的混合元件的单螺杆挤出机掺入到聚合物基质中。

在某些实施方式中，含有石墨的聚合物基质经受重复挤出以诱导石墨材料的剥离，从而形成石墨烯纳米颗粒在聚合物基质中的均匀分散体。