[发明专利]一种高强度和高低温韧性石墨烯/聚合物复合材料的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及聚合物高分子的强度提高和低温韧性增强技术领域，具体涉及一种高强度和高低温韧性石墨烯/聚合物复合材料的制备方法。

背景技术

聚合物材料是当今新材料的后起之秀，但其发展速度与应用范围却超过了传统的金属材料和非金属无机材料，已经成为工业、农业、国防、科技和日常生活等领域不可缺少的材料。世界合成的聚合物材料的总产量已达3亿吨，其体积产量超过金属材料。我国是聚合物材料生产和消费的大国，合成聚合物材料的产量为3000万吨左右，在全球排名第二，年消费量为5000万吨左右。但是大部分聚合物材料都是功能单一的，并不能同时具备多种性能，因此既耐高温又易于加工成型，既有卓越的韧性又有较高的强度，性能良好而且价格低廉的聚合物显得尤为重要。而聚合物纳米复合材料（无机分散相至少有一维的尺寸小于100nm），在近十几年来一直是材料科学领域的研究热点。将纳米粒子与聚合物基体共混，将纳米粒子的纳米尺寸效应，如力学性能、光性能、电性能以及磁性能等赋予聚合物基体，使复合材料比相应的宏观或微米级别的复合材料在性能上有更大地提高，同时又能保持聚合物基体本身所具有的可加工性能好、重量轻和稳定性好等特点。因此将纳米材料与聚合物进行复合改性是有广阔前景的。

聚合物改性是指通过化学方法、物理方法或者二者结合的方法改变聚合物的结构，从而获得具有所希望的新的性能和用途的改性聚合物的过程。目前主要应用的改性方法有：共混改性，填充改性，复合改性，化学改性和表面改性。2004年英国的两位科学家首次利用机械剥离法从石墨中剥离出了单层石墨烯（Geim, AK; Novoselov, KS. The rise of graphene. Nature Materials. 2007, 6(3):183-191.），在国际上迅速引发了一场石墨烯研究的热潮。石墨烯是碳原子以sp²杂化而成的一种二维蜂窝状结构，这种独特的二维结构，赋予了石墨烯许多优异的物理、化学和力学等性能。例如，比表面积高达2300 m²/g，优异的光学性能（单层石墨烯的透光率高达97.7%）、室温下高速的热导率（室温热导率约为5000 Wm^-1K^-1）和电子迁移率（电子迁移率可达2×10⁵ cm²V^-1s^-1）和优异的机械性能（本征强度和弹性模量分别为125 GPa和1.1 TPa）等。因此，石墨烯有望广泛应用于力学增强复合材料、纳米电子器件、光电子器件、储能材料、催化等多种领域，并且具备广阔的产业应用空间和经济社会价值。其中石墨烯与高分子聚合物材料的复合，理论上可以有效地利用石墨烯的高强度、高韧性、高导电性等，实现组元材料的优势互补和加强，充分体现高分子聚合物基复合材料的高性能和低填充率等优势，并向多功能、耐久性方向发展。研究表明，石墨烯/聚合物复合材料的杨氏模量随着石墨烯含量的增加而增加，并有一个最佳的添加量。另外，对于不同的高分子聚合物基体，其杨氏模量的增加幅度也不相同。例如，在环氧树脂体系中加入0.1wt%的还原石墨烯，其杨氏模量增加31%；在聚氨酯中加入1wt%的化学还原石墨烯模量增加120%；在聚硅氧烷泡沫中加入0.25wt%的还原石墨烯使模量增加了200%。由于弹性体基体本身的杨氏模量较低，所以石墨烯对弹性体基体的增强效果更为显著。

目前，制备石墨烯/聚合物复合材料的方法主要有：溶液共混法、原位聚合法和熔融共混法。但是原位混合法操作非常复杂，主要应用于工业生产的熔融共混法的混合程度不理想，溶液共混法相比上述两种方法具有操作简单、混合均匀的优势。但是上述方法所制备的石墨烯/聚合物复合材料的强度和低温韧性都不是很理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，该方法制备的石墨烯/聚合物的强度与低温韧性有所提高，并具有填充率低、耐久性高等优点，因此可作为一种广泛使用的聚合物性能增强的理想方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，将还原石墨烯或高质量石墨烯分散在极性溶剂中，超声后加入聚合物混合均匀，烘干，即得石墨烯/聚合物复合材料。

所述还原石墨烯的制备方法为：先制备氧化石墨烯，再将其还原，即得还原石墨烯。

所述氧化石墨烯的制备方法为化学剥离法。

所述还原为热还原或化学还原。