[发明专利]层叠状功能化石墨烯纳米带/TPU复合材料及其制备

说明书

技术领域

本发明属于高分子复合材料薄膜制备技术领域，具体涉及一种层叠状功能化石墨烯纳米带/TPU复合材料及其制备。

背景技术

热塑性聚氨酯(TPU)是一类用途广泛的弹性嵌段共聚物，由硬段和软段共同组成，其中硬段极性强，相互间吸引力大，硬段和软段在热力学上有自发分离的倾向，即形成微相分离结构，这种特殊的结构组成使得其在较宽的硬度范围内仍能保持良好的弹性，以及优异的耐磨性、延展性和加工成型性。基于上述性能优势，目前TPU已广泛应用于医疗器件、汽车行业、建筑行业和体育制品等领域，成为了新时期极具发展前景的功能性材料。然而，TPU与其他高分子材料一样具有电绝缘性，其体积电阻率(ρ_v)一般处于10¹²~10¹⁵Ω·cm，在使用过程中会由于磨擦而产生很高的静电压，当表面静电荷累积到一定程度后，会带来严重的危险，比如吸尘、放电、击穿，甚至燃烧或爆炸。同时在一些特定领域，如TPU医疗床垫、TPU沼气储存袋、页岩气等非常规气态能源输送管道内衬用TPU膜材、TPU涉水类产品等，除了对材料的抗静电性能有很高的要求外，对材料的气体阻隔性能也有较高的需求。然而氧气和水蒸气等小分子物质能够较为容易地渗透通过TPU薄膜，极大地限制了TPU膜材在阻隔方面的应用。基于此，人们不禁对TPU类产品提出了抗静电和高阻隔的要求。目前一般通过在TPU基体中添加炭黑、金属氧化物、多壁碳纳米管、聚苯胺、纳米微纤或者与其它电阻值较低的阻隔性聚合物熔融共混等方法来改善TPU薄膜的抗静电和/或阻隔性能，但是需要指出的是，上述填料的加入很难起到同时提高材料抗静电及阻隔性能的目的，并且要达到所要求的改性效果，往往存在添加量大、填料在基体中无法完全分散易造成应力集中等问题，而这势必又会对TPU材料的其他性能产生不利影响。

目前关于石墨烯在TPU中的应用研究主要集中于对其进行力学和导电性能改性方面，此外由于特殊的片层结构，使得其在TPU的气体阻隔领域也有了一定的应用。氧化石墨烯纳米带(GONRs)是一种主要由碳原子构成的薄带状结构材料，可以看作是石墨烯的一种特殊结构二维变体。GONRs除了具有石墨烯优良的物理、化学以及机械性能外，由于自身较高的长径比，因而具有比石墨烯更优异的提高聚合物阻隔的能力，在高阻隔应用领域具有很大的发展前景。然而GONRs存在易聚积、电导率较低(约6.83×10^-3S/m)、在部分有机溶剂中分散性差等缺点，极大地阻碍了其的进一步研究与开发，因此寻找一种行之有效的改性方法以制备可稳定分散于某种溶剂的高电导率石墨烯纳米带是一项很有意义的工作。

本文采用纵向氧化切割MWCNTs法制得GONRs，利用KH-570对其进行改性得到功能化氧化石墨烯纳米带(F-GONRs)，随后在适量水合肼作用下制得还原程度高且分散性好的结构类似层叠状的功能化石墨烯纳米带(SF-GNRs)，所得SF-GNRs是由几层功能石墨烯纳米带叠加在一起组合而成，这种特殊的结构可以很好地避免其在聚合物中发生严重的团聚，从而有利于充分发挥其在聚合物应用领域中的综合性能。以TPU为基体，通过溶液涂覆成膜工艺获得SF-GNRs/TPU复合材料薄膜，并主要针对其阻隔和导电性能进行了研究。本方法的成功尝试为制备结构多样化的石墨烯纳米带提供了一种新的方法，在目前国内外文献中，有关这种具有多层结构的功能性石墨烯纳米带在聚合物薄膜阻隔和抗静电性能的改性方面尚鲜见报道，因此丰富了碳材料的应用领域。此外，这种层叠状功能石墨烯纳米带在TPU中的成功应用也为今后开发新型高性能聚合物基纳米复合材料提供了一种较为新颖的思路与探索。

发明内容

本发明的目的在于针对普通结构的GONRs在TPU中分散性差、易聚积、电导率较低等缺点，提供一种层叠状功能化石墨烯纳米带/TPU复合材料及其制备。层叠状的功能化石墨烯纳米带这一特殊结构可以很好地避免其在TPU聚合物中发生严重的团聚，从而有利于充分发挥其在TPU聚合物应用领域中的综合性能，开发出新型的高性能聚合物基纳米复合材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种层叠状功能化石墨烯纳米带/TPU复合材料，以经KH-570改性得到的功能化氧化石墨烯纳米带为原料，经水合肼还原制得层叠状的功能化石墨烯纳米带（SF-GNRs）；然后利用溶液成型法制得SF-GNRs/TPU复合材料薄膜。