[发明专利]3D打印石墨烯‑非金属复合材料、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯应用技术领域，特别涉及一种3D打印石墨烯-非金属复合材料、制备方法及应用。

背景技术

单层石墨烯片是由一层密集的碳六元环构成的，没有任何结构缺陷，它的厚度为0.35nm左右，是目前为止最薄的二维纳米碳材料。同时，它也是组成其他碳族材料的基本单元，能够通过翘曲得到零维的富勒烯、卷曲得到一维的碳纳米管和堆叠得到三维的石墨。石墨烯中最基本的重复周期单元是有机化学中最为稳定的苯环结沟，它是当前为止最好的二维纳米材料。现实中制备的石墨烯不仅存在单层的，也有多层的。由于其结构独特，石墨烯的各类性质也非常优异。其是世界上最薄最轻的物质，厚度最薄可达0.34nm，比表面积为2630m2/g，室温下的载流子迁移率约为20万(cm²/vs)，已知强度最高的材料之一，比金刚石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。同时它又拥有很好的韧性，且可以弯曲，理想石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，断裂强度为130GPa。导热系数高达5000W/mK，是目前为止最高的。

目前，国内外研究人员在石墨烯材料的复合，修饰应用方面进行了较多研究，如中国专利申请号：CN201610858571.8，涉及一种制备石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性复合电极的方法，属于电极材料技术领域。本发明获得的电极，具有高的电化学性能和机械性能，实现在纳米复合层表面可控均匀负载聚苯胺，进一步提高比电容，原位固结层次孔结构，实现高比容量的柔性薄膜。中国专利申请号：CN201610765895.7，公开了一种硫/石墨烯纳米复合材料的制备方法、锂离子电池正极、锂离子电池，制备方法步骤包括水热工序、复合工序，本发明制备方法获得的单质硫与三维还原氧化石墨烯复合材料更体现了其与现有技术中的二维石墨烯复合的优越性。中国专利申请号：CN201610525033.7，公开了一种氟橡胶/石墨烯复合母料，耐高温性能更好，能够满足更高的工作温度使用要求；同时，本发明氟橡胶/石墨烯复合母料的制备方法简便，便于操作，能耗低，效益好，非常适合产业化生产。中国专利申请号：CN201610768961.6，涉及硬碳/石墨烯复合材料及其制备方法和锂离子电容器及其制备方法。硬碳/石墨烯复合材料具备良好的导电性，优异的机械性能，较高的功率密度与体积比电容，以及较长的使用寿命，可用作锂离子电容器的负极活性材料。中国专利申请号：CN201610607138.7，公开了一种具备高效电催化氧还原性能的多孔碳纳米纤维/石墨烯复合材料及其制备方法。该复合材料制备工艺简单，材料成本低，重复性高，易于大规模合成。中国专利申请号：CN201610566707.8，公开了一种超临界流体辅助苯胺插入聚合制备聚苯胺-石墨烯复合材料的方法，将苯胺单体溶解在超临界流体当中，使超临界流体分子和苯胺分子插入到石墨片层间，再在常压低温环境下引发石墨片层间的苯胺单体聚合生成聚苯胺，促进石墨层间距显著扩大，石墨最终被层层剥离，一步即得到聚苯胺-石墨烯层层复合材料。中国专利申请号：CN201610550882.8，公开了一种氯丁橡胶/石墨烯复合材料，具有良好的耐酸性、耐油性和耐氧化性能，可以满足特定使用环境下对橡胶复合材料性能的更高要求，进一步拓展了其应用范围。中国专利申请号：CN201610515045.1，涉及采用溶液法制备聚丙烯接枝氧化石墨烯扶着材料。采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)对氧化石墨烯进行表面修饰后，与枝化聚丙烯、聚丙烯进行共混反应，利用修饰石墨烯的功能团氨基与马来酸酐(maleic-anhydride)枝化形成枝化聚丙烯(MAPP)中酸酐的作用，极大极高了氧化石墨烯在复合材料中分散性。该方法制备的复合材料，拉伸强度较聚丙烯与枝化聚丙烯提高了20％以上。

综上所述，尽管将石墨烯及其复合材料和技术应用到较多领域，并获得性能改善和提升，但具有高硬度高强度的石墨烯由于表面活性能高，分子间的作用力以及化学键作用强而必然容易发生团聚。因此，在制备成石墨烯复合材料的时候由于发生叠层和团聚，不能充分体现石墨烯材料的高硬度、高强度和高导热的性能优势，这一问题限制了其在更大范围、更广阔领域的应用。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种3D打印石墨烯-非金属复合材料的制备方法。本发明制备得到的3D打印石墨烯-非金属复合材料具有高硬度、高强度、电阻率低，易被加工使用的优越性能，可广泛应用于牙齿种植、超级电钻等材料加工领域；电池、超级电容器储能材料领域；催化剂材料领域；散热材料领域；医学领域；涂料材料领域；导电油墨；光电、传感器材料领域；生物相关领域等。