[发明专利]一种基于石墨烯的复合填料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯的复合填料及其制备方法，属于新材料及其应用技术领域。该复合填料包括具有中空腔体的石墨烯粉体和腔体内填充的功能材料；所填充的功能材料为相变材料、磁性材料、催化材料或活性物质等。本发明以过渡族金属盐作为模板，利用化学气相沉积工艺，在适宜的温度和气氛条件下，在金属盐(已被还原为金属)表面催化生长石墨烯。所得的石墨烯粉体用酸去除基底后，形成具有中空腔体的石墨烯粉体，填充功能材料后获得复合填料。本发明所制备的石墨烯具有很高的结晶质量，导热、导电性能优异，填充功能材料后可作为填料在诸多领域获得应用。

技术领域

本发明涉及新材料及其应用技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的复合填料及其制备方法。

背景技术

研究表明，石墨烯具有优异的导电、导热性能，其电子迁移率可达200000cm²V^-1s^-1,可实现室温下最高的电流传输密度，导热系数高达5300W m^-1K^-1，远高于碳纳米管和金刚石。此外石墨烯是由单层碳原子构成的蜂窝状完美晶格，具有很高的结构稳定性和化学稳定性。因此石墨烯在导热、导电以及电磁屏蔽等领域具有很大的应用潜力。

导电、导热复合材料应用广泛。石墨烯应用于导热、导电复合材料，主要是以粉体形式，作为导电、导热填料使用。理想的导热、导电填料需具备如下两个特征：1、本身具有优异的导热、导电性能。一般来说，材料的结晶质量越高，其导热、导电性能越好。尤其是石墨烯为声子(晶格震动)导热，结晶质量对其导热性能影响更为明显；2、容易在基体中均匀稳定的分散，从而在复合材料中更好的构建导热、导电网络通路。当前，石墨烯粉体主要分为两大类，一类是本征态石墨烯，另一类是(还原)氧化石墨烯。对于本征石墨烯，其具有很高的碳氧比和晶体质量，因此具有很高的热导率和电导率，但是由于石墨表面惰性，难以剥离，大尺寸单层或少数层本征态石墨烯制备难度大，目前还没有一项技术能够实现大尺寸单层或少数层本征态石墨烯的宏量制备。同时由于本征态石墨烯表面惰性以及二维片层结构，其自身极易卷曲团聚，在聚合物中很难获得良好的分散，限制石墨烯添加量的同时也对复合材料的使用性能如硬度强度等产生很大影响；对于(还原)氧化石墨烯，由于表面带有大量官能团，因此氧化石墨烯可以在很多聚合物基体中获得良好的分散。但由于氧化石墨烯的制备过程中一般涉及高锰酸钾和浓硫酸等危险化学药品，制备过程复杂，化学杂质和产品混合难以分离，去除杂质难度大。同时，由于大量表面官能团等缺陷的存在，即使经过后续复杂的还原过程，其导热、导电性能仍然不甚理想。尤其是导热性能，由于晶格受到了破坏，还原氧化石墨烯的导热率较本征态石墨烯要低两到三个数量级。

如上所述，目前两大类石墨烯粉体作为导热、导电填料的应用都存在各自难以克服的问题。因此开发一种同时具备高质量和易分散优点的石墨烯粉体具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的复合填料及其制备方法，首先以过渡族金属盐作为基底模板，利用化学气相沉积工艺，在被还原的金属表面实现石墨烯的生长，并进一步通过刻蚀制备空腔结构的石墨烯粉体，填充相变材料后制成高性能复合填料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于石墨烯的复合填料，包括具有中空腔体的石墨烯粉体和中空腔体内填充的功能材料；所述石墨烯粉体的粒径范围为5nm-300μm。

所述石墨烯粉体为球形、四面体、八面体、多面体或棒状形态；所述填充的功能材料为相变材料、磁性材料、催化材料或活性物质。

所述相变材料为石蜡、脂肪酸、脂肪酸衍生物和多元醇中的一种或几种。

所述石墨烯粉体具有很高的结晶质量，拉曼光谱表征石墨烯特征峰明显且无缺陷峰(D峰)出现；该石墨烯粉体导热、导电性能优异。本发明所制备的石墨烯粉体微观具有规则的几何形状(尤其是球形)，可避免常规的二维片层状石墨烯团聚情况的出现，从而在基体中获得更好分散，有利于复合材料制备。