[发明专利]一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备的方法。该方法是将氧化石墨烯与碳纳米管混合、分散，并添加还原剂将氧化石墨烯还原，冻干燥制备出碳纳米管/石墨烯气凝胶；然后通过真空辅助浸渍的方式将含有苯乙烯单体的混合物填充到气凝胶的空隙中，并通过原位聚合反应得到碳纳米管/石墨烯/聚苯乙烯复合材料，最后对所制得的复合材料进行热处理。本发明工艺简单，过程绿色环保，得到的骨架气凝胶具有低密度、高孔隙率等优点，与聚苯乙烯复合以后得到的复合材料比纯苯乙烯具有更高的强度，并具有较高的导电性能。

技术领域

本发明属于纳米多孔材料——碳气凝胶技术领域，同时也属于先进功能复合材料领域，具体涉及一种高性能碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料及其制备方法，所制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料可用作导电的高强度复合材料领域。

背景技术

具有较高导电聚合物基材料在电子设备、传感器、执行器和电磁屏蔽等领域具有广泛的应用。石墨烯具有二维、共轭蜂窝网状结构，显示了很多独特的性能，如巨大的电子迁移率、高导热性、良好的机械性能以及大的比表面积等。石墨烯最有应用前途之一是作为填充材料添加到聚合物基体中制成复合材料，聚合物本身具有较低的负载，因此，石墨烯能明显提高聚合物的电性能，这一特点备受关注。然而，由于石墨烯易聚集，且在石墨烯片层之间产生较高的接触电阻，因此，复合材料的性能增强是有限的，而且远远低于预期，要发展高导电石墨烯/聚合物复合材料仍具有巨大的挑战性。

为了提高石墨烯在聚合中的导电性，首先要解决其在聚合物中的分散性。石墨烯气凝胶具有三维网络结构、高比表面和较低密度的多孔纳米材料，在聚合物基体中三维互联石墨烯网络结构为高导电石墨烯复合材料提供了一个新的策略。将石墨烯与其它材料复合制备成气凝胶的研究和发明专利相继报道，制备的复合气凝胶应用于多个领域。CN104558998A公开了一种石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶的制备方法，其方法是将石墨烯与聚酰亚胺混合冷冻干燥得到的气凝胶再进行高温碳化制备了石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶，主要用作催化载体、储氢材料级超级电容的电极材料等。王学宝等(石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料的制备及导电性能，复合材料学报， 2013,30(6)：1-6)研究了以氧化石墨烯为前驱体，通过溶胶-凝胶法制备了石墨烯气凝胶，然后通过超声混合的方式将石墨烯气凝胶与环氧树脂复合，制备石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料。Zeng Fan等(Advancedmultifunctional grapheme aerogel-Poly(methyl methacrylate)composites:Experiments and modeling,Carbon,2015,81:396-404)通过将聚酯(甲基丙烯酸甲脂)回填到石墨烯气凝胶的孔中制备了石墨烯气凝胶/聚酯(甲基丙烯酸甲脂)复合材料，在聚酯(甲基丙烯酸甲脂)基体中均匀分布多层还原氧化石墨烯片。

上述发明专利及文献中均公开了石墨烯与聚合物复合制备气凝胶和复合材料的制备方法，但目前将碳纳米管/石墨烯气凝胶与聚合物复合制备成复合材料的方法还鲜见报道。在氧化石墨烯中加入碳纳米管粉末进行气凝胶，对其稳定的结构起到一定的支撑作用，从而削弱氧化石墨烯的团聚效应，以得到更大的比表面积；对氧化石墨烯通过还原得到还原氧化石墨烯，具有和原始石墨相似的性质，即具有极好的导电性和力学性能，通过以上方式能够很好地解决石墨烯很难在物质中均匀分散来发挥其性能的难题。另外，碳纳米管的加入，还能够提高复合材料的强度。

本发明旨在选用合适的热固性聚合物材料，利用还原氧化石墨烯和碳纳米管制成的气凝胶作为骨架材料，将聚合物填充到气凝胶的三维网络的孔隙中并在真空条件下固化，从而制备出具有良好导电性以及高强度高模量的功能复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备过程简单、环保、成本较低的气凝胶及其与苯乙烯复合的方法；与其他同类材料相比，采用本方法所制备的复合材料除具有较好的导电性能外，还具有更高的强度和模量。

本发明采用的技术方案如下：