[发明专利]一种提高石墨烯在聚合物基体中分散性的方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物复合材料的技术领域，特别涉及一种提高石墨烯在聚合物基体中分散性的方法。

背景技术

2004年英国曼彻斯特大学Andre Geim教授和他的学生Kostya Novoselov通过胶粘法，利用石墨为原料，首次分离出了以一层碳原子组成的二维碳材料——石墨烯，打破了物理界一直认为的二维晶体材料不能稳定存在这一理论，引起了整个世界的广泛关注。石墨烯是一种单层碳原子以六方晶格排布的二维蜂窝状新型碳材料。单层的石墨烯厚度仅为0.34nm，是目前为止已知材料中最薄的材料。正是因为拥有这种独特的结构，石墨烯具有许多优异的性能，例如超高的杨氏模量(约1TPa)、优异的导电性能及导热性能(5000W/m·K)、超大的比表面积、优异的量子隧道效应等。

近年来，利用石墨烯与高分子材料共混制备得到的纳米复合材料表现出了优异的导电、导热、力学等性能，具有广阔的应用前景。然而，由于石墨烯纳米片层的厚度仅为一个碳原子直径，使得片层与片层之间容易通过范德华力而发生堆砌，导致聚合物纳米复合材料中的石墨烯片层容易发生团聚现象，从而削弱、限制了石墨烯的作用效果。尤其对于非极性聚合物基体而言，例如聚丙烯、聚乙烯等，由于石墨烯所含有的碳共轭双键与这类材料相互作用较弱，更容易导致石墨烯片层在其基体中发生团聚。为了充分发挥石墨烯的作用效果，制备具有高分散的聚合物/石墨烯纳米复合材料显得至关重要。

研究发现，通过接枝、表面吸附等修饰手段将小分子或长分子链引入到石墨烯片层上，可以有效的改善石墨烯与聚合物基体间的相互作用，从而提升其在基体中的分散。然而，在这些改性方法中，都会涉及到有机化学反应，具有耗时长、效率低、需要有机溶剂等缺点。同时也有研究表明，引入相容剂等第三组份也可以有效的减弱石墨烯在基体中的团聚，但第三组份有可能会消弱对材料的部分性能。

可见，现有技术中还缺少一种高效、绿色环保的提升石墨烯纳米材料在聚合物基体中分散的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高石墨烯在聚合物基体中分散的方法，首先利用路易斯酸催化剂制备具有高分散性的聚合物/石墨烯复合材料母料，之后将路易斯酸去除，再将制备的母料稀释(即添加纯聚合物)制备聚合物/石墨烯复合材料，从而提升石墨烯粒子在聚合物基体中的分散，进一步改善聚合物材料的性能。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种提高石墨烯在聚合物基体中分散性的方法，即在聚合物材料和石墨烯中引入路易斯酸催化剂，各原料的质量配比为：聚合物材料︰石墨烯︰路易斯酸催化剂＝100︰3～10︰0.1～2。

进一步，上述提高石墨烯在聚合物基体中分散性的方法为：将聚合物材料、石墨烯和路易斯酸催化剂于聚合物材料熔点之上热分解温度以下熔融共混。

优选的，聚合物材料︰石墨烯︰路易斯酸催化剂＝100︰3～6︰0.5～1。

更优选的，聚合物材料︰石墨烯︰路易斯酸催化剂＝100︰4︰0.8。

所述聚合物材料为聚烯烃、芳香族聚酯、脂肪族聚酯、聚酰胺树脂、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚偏二氟乙烯中的一种。

进一步，所述聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯及其共聚物；所述芳香族聚酯聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述聚酰胺树脂为尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙610或尼龙6T。

所述路易斯酸催化剂为三氯化铝(AlCl₃)、三氯化铁(FeCl₃)、三氟化硼(BF₃)、三氟甲磺酸(TfOH)中的一种。

优选的，所述石墨烯为热还原石墨烯或还原氧化石墨烯。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种聚合物/石墨烯复合材料的制备方法，包括步骤如下：

a、将聚合物材料、石墨烯和路易斯酸催化剂于聚合物材料熔点之上热分解温度以下熔融共混得聚合物/石墨烯/路易斯酸催化剂复合材料；其中，各原料的质量配比为：聚合物材料︰石墨烯︰路易斯酸催化剂＝100︰3～10︰0.1～2；

b、将步骤a所得的聚合物/石墨烯/路易斯酸催化剂复合材料经抽提处理除去路易斯酸催化剂，得聚合物/石墨烯复合材料母料；

c、将步骤b所得的母料与纯聚合物于聚合物熔点之上热分解温度以下熔融混合，制备得聚合物/石墨烯复合材料；其中，石墨烯占聚合物/石墨烯复合材料总质量的0.1～2％。