[发明专利]石墨烯/碳纳米管分散体系高分子基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料分散体复合材料的制备方法，尤其是涉及一种石墨烯/碳纳米管分散体系高分子基复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯和碳纳米管是碳材料具有优异性能和巨大应用潜力的两种同素异构体。石墨烯是一种常温存在的二维原子晶体，其碳原子间以sp2杂化键合构成六元环点阵。碳纳米管的基本结构单元也是碳原子的六元环点阵，从结构上可视为石墨烯的片层卷曲形成的无缝管状结构，由单层石墨烯构成的管状结构为单壁碳纳米管，而由多个不同直径的同轴管嵌套而成的称为多壁碳纳米管。石墨烯和碳纳米管保持了碳材料的强共价键、大π键特性，同时具有纳米材料的量子效应、小尺寸效应和表面界面效应，还由于特殊的拓扑构型(管状结构、二维平面结构)而具有大尺度碳材料所不具备的特殊性能。石墨烯和碳纳米管具有超高比强度、比模量，超高热导率和低电阻率，以及巨大比表面。上述特性使得两类材料在高强韧结构复合材料、导电、导热复合材料、电池与电容器电极、微电子器件、储氢材料、传感器、催化剂载体等场合有广阔的应用前景。

树脂基复合材料是石墨烯和碳纳米管最重要的应用之一。复合材料中应用碳纳米管、石墨烯技术出发点一般为：作为功能体，应用石墨烯的高导电性和高电子迁移速率提升复合材料的导电性或导热性；二是作为结构增强体，应用石墨烯的超高强度、高模量和维度特性对进行复合材料增强、增韧。所制得轻质、高强韧、导电的结构/功能一体化树脂基复合材料在航天、航空、电子、汽车、结构工程等国民经济重要领域有极高的应用价值和广泛的应用前景。

但迄今为止，大部分实验研究结果均显示，复合材料中石墨烯和碳纳米管的强韧化效应均远未达理想。碳纳米管、石墨烯缺乏有效分散，孤立的团聚体间未能形成可提供载荷传递和载流子传输的有效路径，是其复合材料的力学性能和导电性未实现预期提升的瓶颈所在。

因此，业内已公认要在充分发挥碳纳米管和石墨烯的优异性能，其共同的根本要求是实现石墨烯和碳纳米管的良好分散。

通过超声处理、高速剪切等机械手段对碳纳米管团聚体通过机械力对碳纳米管团聚体产生破碎效应，使之成为单分散材料或较小的团聚体；但超声分散的效果也有极限，长时间或者高功率的超声将对碳纳米管的结构造成破坏，力学、电学等性能也会因而下降(陈永等，多壁碳纳米管的超声短切处理，碳素技术，2007，26(5)：20)，且单纯的超声等机械手段对碳纳米管产生的分散效应难以长期保持。

应用分散剂也是常用的碳纳米管分散技术(万梅香等，一种碳纳米管的分散剂及其制备方法，中国专利，ZL 98120629.8)，分散剂的主要作用是通过活性剂或者官能团的空间位阻或者极性效应阻止已分散个体的再聚集。分散剂与碳纳米管的结合力与时效相对比较有限，而对碳纳米管进行官能团接枝可以获得更高的结合强度与更持久的使用效用，表面官能团也可起与分散剂类似的空间位阻效应、化学亲合效应(王庚超等，导电聚苯胺衍生物表面改性的水分散性碳纳米管及制备方法，中国专利，200710039182.3)，但在接枝步骤中需对碳纳米管进行处理，也会造成缺陷，带来性能下降。

对碳纳米管进行处理酸处理(杨文胜等，一种水分散性碳纳米管的制备方法，中国专利，201010174962.0)可通过短切与羟基等功能团接枝的综合效应可实现对碳纳米管的有效分散，但该类处理方法的不足之处也很突出，即对碳纳米管结构与性能的损伤也很显著。

对石墨烯的分散技术手段本质上与碳纳米管的类似。在石墨烯的分散过程中，虽然往往会伴随氧化石墨烯还原为石墨烯等化学过程，但在对石墨烯进行分散的具体技术手段上，依然是与碳纳米管的分散类似。如，使用水溶性高聚物等分散剂(张平等，一种高分散性石墨烯的制备方法，中国专利，201010274115.1)，或者对分散介质的体系与pH值进行优选(R耐斯帕尔等，单层和多层石墨烯层在溶液中的稳定分散体，中国专利，201010274683.1)，或者对石墨烯进行表面功能化(马文石等，一种可分散性硅烷功能化石墨烯的制备方法，中国专利，201110242403.3；马文石等，一种可分散的乙醇胺功能化石墨烯及其制备方法，中国专利，201110162046.X)。因此，这些分散方法的优点与缺陷在石墨烯体系中也依然存在。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单有效实现碳纳米管、石墨烯稳定分散的方法，将所获石墨烯/碳纳米管分散体系应用于高分子基复合材料，可获得石具高电导性、热导性与力学性能的石墨烯/碳纳米管分散体系高分子基复合材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：