[发明专利]石墨烯增强的聚合物基质复合材料的无化学品式生产

说明书

提供了一种直接从石墨材料生产石墨烯增强的聚合物基质复合材料的简单、快速、可规模化且环境友好的方法，该方法包括：(a)在能量撞击装置的撞击室中将多个石墨材料颗粒和多个固体聚合物载体材料颗粒混合以形成混合物；(b)以一定频率和强度将该能量撞击装置操作一段时间，该时间足够从该石墨材料剥离石墨烯片并将这些石墨烯片转移到固体聚合物载体材料颗粒的表面以在该撞击室的内部产生石墨烯涂覆的或石墨烯嵌入的聚合物颗粒；并且(c)将石墨烯涂覆的或石墨烯嵌入的聚合物颗粒成形为该石墨烯增强的聚合物基质复合材料。还提供了通过该方法生产的石墨烯涂覆的或石墨烯嵌入的聚合物颗粒的块体。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月10日提交的美国专利申请号14/757,236的优先权，所述专利申请通过援引方式并入本文。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，并且具体地涉及生产石墨烯增强的聚合物基质复合材料的环境友好且有成本效益的方法。

背景技术

单层石墨烯片由占据二维六方晶格的碳原子构成。多层石墨烯是由多于一个石墨烯平面构成的片晶。单独的单层石墨烯片和多层石墨烯片晶在本文中统称为纳米石墨烯片晶(NGP)或石墨烯材料。NGP包括原始石墨烯(基本上99％的碳原子)、微氧化的石墨烯(按重量计5％的氧)、氧化石墨烯(按重量计≥5％的氧)、微氟化的石墨烯(按重量计5％的氟)、氟化石墨烯(按重量计≥5％的氟)、其他卤化的石墨烯、以及化学官能化的石墨烯。

已发现NGP具有一系列不寻常的物理、化学和机械特性。例如，发现石墨烯展现出所有现有材料的最高固有强度和最高导热性。尽管未预想石墨烯的实际电子器件应用(例如，代替Si作为晶体管中的主干)在未来5-10年内发生，但其作为复合材料中的纳米填料以及储能器件中的电极材料的应用即将到来。大量可加工的石墨烯片的可用性对于成功开发石墨烯的复合材料、能量和其他应用是至关重要的。

我们的研究小组最先发现石墨烯[B.Z.Jang和W.C.Huang,“Nano-scaledGraphene Plates[纳米级石墨烯板]”,2002年10月21提交的美国专利申请号10/274,473，现为美国专利号7,071,258(07/04/2006)]。最近，我们综述了生产NGP和NGP纳米复合材料的方法[Bor Z.Jang和A Zhamu,“Processing of Nano Graphene Platelets(NGPs)andNGP Nanocomposites:A Review[纳米石墨烯片晶(NGP)和NGP纳米复合材料的加工：综述]”,J.Materials Sci.[材料科学杂志]43(2008)5092-5101]。我们的研究已经产生了一种用于无化学品式生产孤立的纳米石墨烯片晶的方法，该方法是新颖的，因为它未遵循下文概述的生产纳米石墨烯片晶的建立的方法。此外，该方法具有增强的实用性，因为它有成本效益，并且提供了新颖的石墨烯材料(在显著降低的环境影响的情况下)。已遵循四种主要的现有技术方法来生产NGP。如下简要概述它们的优点和缺点：

孤立的石墨烯片的生产

方法1：氧化石墨(GO)片晶的化学形成和还原

第一种方法(图1)需要用插层剂和氧化剂(例如，分别为浓硫酸和硝酸)处理天然石墨粉末以获得石墨插层化合物(GIC)或实际上氧化石墨(GO)。[William S.Hummers,Jr.等人，Preparation of Graphitic Oxide[氧化石墨的制备]，Journal of the AmericanChemical Society[美国化学会志],1958，第1339页]在插层或氧化之前，石墨具有大约0.335nm的石墨烯平面间间距(L_d＝1/2d₀₀₂＝0.335nm)。在插层和氧化处理的情况下，石墨烯间间距增加到典型大于0.6nm的值。这是石墨材料在该化学路线过程中经历的第一膨胀阶段。然后使用热冲击暴露法或基于溶液的超声处理辅助的石墨烯层膨化(exfoliation)法使所得GIC或GO经受进一步膨胀(常常被称为膨化)。