CN104031290A - 一种高强度和高低温韧性石墨烯/聚合物复合材料的制备方法 - Google Patents
一种高强度和高低温韧性石墨烯/聚合物复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及聚合物高分子的强度提高和低温韧性增强技术领域,具体涉及一种高强度和高低温韧性石墨烯/聚合物复合材料的制备方法。其制法为:将还原石墨烯或高质量石墨烯分散在极性溶剂中,超声后加入聚合物混合均匀,烘干,即得石墨烯/聚合物复合材料。其优点是:石墨烯/聚合物复合材料的强度和低温韧性相比于纯聚合物有很大的提高;对环境无害;本制备方法流程简单,操作容易,成本低,可大规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物高分子的强度提高和低温韧性增强技术领域,具体涉及一种高强度和高低温韧性石墨烯/聚合物复合材料的制备方法。
背景技术
聚合物材料是当今新材料的后起之秀,但其发展速度与应用范围却超过了传统的金属材料和非金属无机材料,已经成为工业、农业、国防、科技和日常生活等领域不可缺少的材料。世界合成的聚合物材料的总产量已达3亿吨,其体积产量超过金属材料。我国是聚合物材料生产和消费的大国,合成聚合物材料的产量为3000万吨左右,在全球排名第二,年消费量为5000万吨左右。但是大部分聚合物材料都是功能单一的,并不能同时具备多种性能,因此既耐高温又易于加工成型,既有卓越的韧性又有较高的强度,性能良好而且价格低廉的聚合物显得尤为重要。而聚合物纳米复合材料(无机分散相至少有一维的尺寸小于100nm),在近十几年来一直是材料科学领域的研究热点。将纳米粒子与聚合物基体共混,将纳米粒子的纳米尺寸效应,如力学性能、光性能、电性能以及磁性能等赋予聚合物基体,使复合材料比相应的宏观或微米级别的复合材料在性能上有更大地提高,同时又能保持聚合物基体本身所具有的可加工性能好、重量轻和稳定性好等特点。因此将纳米材料与聚合物进行复合改性是有广阔前景的。
聚合物改性是指通过化学方法、物理方法或者二者结合的方法改变聚合物的结构,从而获得具有所希望的新的性能和用途的改性聚合物的过程。目前主要应用的改性方法有:共混改性,填充改性,复合改性,化学改性和表面改性。2004年英国的两位科学家首次利用机械剥离法从石墨中剥离出了单层石墨烯(Geim, AK; Novoselov, KS. The rise of graphene. Nature Materials. 2007, 6(3):183-191.),在国际上迅速引发了一场石墨烯研究的热潮。石墨烯是碳原子以sp2杂化而成的一种二维蜂窝状结构,这种独特的二维结构,赋予了石墨烯许多优异的物理、化学和力学等性能。例如,比表面积高达2300 m2/g,优异的光学性能(单层石墨烯的透光率高达97.7%)、室温下高速的热导率(室温热导率约为5000 Wm-1K-1)和电子迁移率(电子迁移率可达2×105 cm2V-1s-1)和优异的机械性能(本征强度和弹性模量分别为125 GPa和1.1 TPa)等。因此,石墨烯有望广泛应用于力学增强复合材料、纳米电子器件、光电子器件、储能材料、催化等多种领域,并且具备广阔的产业应用空间和经济社会价值。其中石墨烯与高分子聚合物材料的复合,理论上可以有效地利用石墨烯的高强度、高韧性、高导电性等,实现组元材料的优势互补和加强,充分体现高分子聚合物基复合材料的高性能和低填充率等优势,并向多功能、耐久性方向发展。研究表明,石墨烯/聚合物复合材料的杨氏模量随着石墨烯含量的增加而增加,并有一个最佳的添加量。另外,对于不同的高分子聚合物基体,其杨氏模量的增加幅度也不相同。例如,在环氧树脂体系中加入0.1wt%的还原石墨烯,其杨氏模量增加31%;在聚氨酯中加入1wt%的化学还原石墨烯模量增加120%;在聚硅氧烷泡沫中加入0.25wt%的还原石墨烯使模量增加了200%。由于弹性体基体本身的杨氏模量较低,所以石墨烯对弹性体基体的增强效果更为显著。
目前,制备石墨烯/聚合物复合材料的方法主要有:溶液共混法、原位聚合法和熔融共混法。但是原位混合法操作非常复杂,主要应用于工业生产的熔融共混法的混合程度不理想,溶液共混法相比上述两种方法具有操作简单、混合均匀的优势。但是上述方法所制备的石墨烯/聚合物复合材料的强度和低温韧性都不是很理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,该方法制备的石墨烯/聚合物的强度与低温韧性有所提高,并具有填充率低、耐久性高等优点,因此可作为一种广泛使用的聚合物性能增强的理想方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,将还原石墨烯或高质量石墨烯分散在极性溶剂中,超声后加入聚合物混合均匀,烘干,即得石墨烯/聚合物复合材料。
所述还原石墨烯的制备方法为:先制备氧化石墨烯,再将其还原,即得还原石墨烯。
所述氧化石墨烯的制备方法为化学剥离法。
所述还原为热还原或化学还原。
所述高质量石墨烯的制备方法为放电等离子体烧结法,所述放电等离子体烧结法的条件为真空度低于30 Pa,压强5-200 MPa,温度100-2000 ℃,放电电流100 A,时间5分钟。
所述聚合物与极性溶剂的质量比为1:10。
所述还原石墨烯或高质量石墨烯与聚合物的质量比为0.1~2:100。
所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
所述聚合物为聚偏氟乙烯时,极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮;所述聚合物为聚碳酸酯时,极性溶剂为三氯甲烷;所述聚合物为聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯时,极性溶剂为二甲基甲酰胺。
所述超声条件为:功率800W,频率25KHz,时间1h。
本发明提供了一种可操作性强的方法,即,首先通过化学剥离法制备氧化石墨烯,然后将其还原成还原石墨烯,进一步再通过放电等离子体烧结法处理得到结构完整的高质量石墨烯,最后通过溶液混合的方法将其与聚合物进行复合,制备出石墨烯/聚合物复合材料。相比于纯的聚合物高分子材料,以及普通的石墨烯/聚合物复合材料,这种添加了还原石墨烯或高质量石墨烯的聚合物的强度和低温韧性均有明显提高,实现了聚合物的性能增强,其复合效果更佳,增强效果更好。这对聚合物对资源的综合利用具有重要的意义。
实验表明,要想使石墨烯/聚合物复合材料的性能达有所提高,所使用的石墨烯最好为高质量石墨烯或还原石墨烯,而以结构完整的高质量石墨烯为原料制备的石墨烯/聚合物的性能最佳。
本发明的有益效果在于:
(1)石墨烯/聚合物复合材料的强度和低温韧性相比于纯聚合物有很大的提高。
(2)溶液混合的方法可以很好的实现均匀分散,从而达到性能增强的最大效果,并且通过烘干的方法回收分散液,达到重复利用,对环境无害的效果。
(3)本制备工艺流程简单,操作容易,成本低,可大规模应用。
附图说明
图1 为实施例2制备的高质量石墨烯的扫描电镜(SEM)图。
图2为纯聚偏氟乙烯在液氮下打断的断口形貌。
图3为实施例5制备的还原石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料在液氮下打断的断口形貌。
图4为实施例8制备的高质量石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料在液氮下打断的断口形貌。
图5为实施例5制备的还原石墨烯/聚偏氟乙烯与实施例8制备的高质量石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料储能模量。
图6为实施例8制备的高质量石墨烯/聚偏氟乙烯储能模量随石墨烯添加量变化的曲线。
图7为实施例12制备的高质量石墨烯/聚碳酸酯复合物储能模量随石墨烯添加量变化的曲线。
图8为实施例14制备的高质量石墨烯/聚氯乙烯复合物杨氏模量随石墨烯添加量变化的曲线。
图9为实施例16制备的高质量石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合物弹性模量随石墨烯添加量变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。
实施例1
本实施例中石墨粉平均粒度为325目。采用Hummer方法。具体如下:首先称取2 g石墨、5 gK2S2O4、5g P2O5、加入40mL浓硫酸,混合后放入80℃水浴设备中持续搅拌四小时后取出。向处理后的溶液中加入120mL浓硫酸,并缓慢加入20g KMnO4,并始终保持温度在20℃以下,加入KMnO4后,恒温35 ℃,搅拌2小时。将所得物中加入250mL蒸馏水中,利用浓硫酸吸水放热的热量,使得石墨片层彻底氧化和分离。待放热完毕,将所得物加入到700mL蒸馏水中,保持70 ℃ 1小时。向溶液中加入20mL双氧水,除去过量的KMnO4,利用大量的酒精和10%盐酸洗涤样品至pH=7,利用超声分散1 小时,在70℃下烘干溶液得到氧化石墨烯。将烘干的样品送入普通的热处理炉中,通入氩气氛,并在氩气氛下,加热至700 ℃,保持2 小时,得到还原石墨烯。
采用化学还原法替代热还原法制备还原石墨烯,不影响本发明的效果,所述的化学还原法为水合肼化学还原法或硼氢化钠化学还原法。
实施例2
还原石墨烯的制备条件与实施例1相同,得到还原石墨烯后,利用放电等离子体烧结(SPS)技术制备得到高质量石墨烯,放电等离子体烧结(SPS)的条件为:真空度为30 Pa,温度为100℃,压强为5MPa,放电电流为100A,时间5min。所制备的高质量石墨烯的形貌如图1所示,由图可知高质量石墨烯保持了良好的层片形状。
实施例3
还原石墨烯的实验制备条件与实施例1相同,得到还原石墨烯后,利用放电等离子体烧结(SPS)技术,在真空度为30 Pa,温度为2000℃,压强为200MPa,放电电流为100A,时间5min的条件下制备得到高质量石墨烯。
实施例4
还原石墨烯的实验制备条件与实施例1相同,得到还原石墨烯后,利用放电等离子体烧结(SPS)技术,在真空度低于30 Pa,温度范围为1000℃,压强范围为100 MPa,放电电流为100A,时间5min的条件下制备得到高质量石墨烯。
实施例5
还原石墨烯的实验条件与实施例1相同,得到还原石墨烯后,取10 mg还原石墨烯将其分散在10 g N-甲基吡咯烷酮中,并超声(功率800W, 频率25KHz)1小时,然后加入1 g 聚偏氟乙烯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干得到还原石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料。图2为纯聚偏氟乙烯在液氮下打断的断口形貌,其断口很平整,是脆断,这表明其内部作用力很小,韧性很弱。而还原石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料在液氮下打断的断口形貌如图3所示,与纯聚偏氟乙烯相比,其断口处有很多撕裂棱,断口很粗糙,这表明复合材料的内部作用力很大,韧性很强。
实施例6
还原石墨烯的实验条件与实施例1相同,得到还原石墨烯后,取1 mg还原石墨烯将其分散在10 g N-甲基吡咯烷酮中,并超声(功率800W, 频率25KHz)1小时,然后加入1 g 聚偏氟乙烯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干得到还原石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料。
实施例7
还原石墨烯的实验条件与实施例1相同,得到还原石墨烯后,取20 mg还原石墨烯将其分散在10 g N-甲基吡咯烷酮中,并超声(功率800W, 频率25KHz)1小时,然后加入1 g 聚偏氟乙烯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干得到还原石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料。
实施例8
高质量石墨烯的实验条件与实施例2相同,得到高质量石墨烯后,取10 mg石墨烯将其分散在10 g N-甲基吡咯烷酮中,并超声(功率800W, 频率25KHz)1小时,然后加入1 g 聚偏氟乙烯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干24小时得到高质量石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料,其断口形貌如图4所示,断口有很多撕裂棱,断口很粗糙,这表明复合材料的内部作用力很大,韧性很强。室温下,实施例5制备的还原石墨烯/聚偏氟乙烯与实施例8制备的高质量石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料储能模量如图5所示,添加了石墨烯的复合材料的储能模量有很大地提升,高质量石墨烯的增强效果更明显。高质量石墨烯/聚偏氟乙烯储能模量随石墨烯添加量变化曲线如图6所示,随着浓度的增加,储能模量先逐渐增大,在4%-5%达到最大值,随后逐渐减小。
实施例9
高质量石墨烯的实验条件与实施例2相同,得到高质量石墨烯后,取1 mg石墨烯将其分散在10 g N-甲基吡咯烷酮中,并超声1小时,然后加入1 g 聚偏氟乙烯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干24小时得到高质量石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料。
实施例10
高质量石墨烯的实验条件与实施例2相同,得到高质量石墨烯后,取20 mg石墨烯将其分散在10 g N-甲基吡咯烷酮中,并超声1小时,然后加入1 g 聚偏氟乙烯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干24小时得到高质量石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料。
实施例11
还原石墨烯的实验条件与实施例1相同,得到还原石墨烯后,取10 mg还原石墨烯将其分散在10 g 三氯甲烷中,并超声(功率800W, 频率25KHz)1小时,然后加入1 g 聚碳酸酯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干得到还原石墨烯/聚碳酸酯复合材料。
实施例12
高质量石墨烯的实验条件与实施例2相同,得到高质量石墨烯后,取10 mg石墨烯将其分散在10 g 三氯甲烷中,并超声1小时,然后加入1 g 聚碳酸酯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干得到高质量石墨烯/聚碳酸酯复合材料,其储能模量随石墨烯添加量变化曲线如图7所示,储能拉伸模量随着石墨烯的浓度增加先增大,在1%处达到最大值,然后逐渐减小。
实施例13
还原石墨烯的实验条件与实施例1相同,得到还原石墨烯后,取10 mg还原石墨烯将其分散在10 g二甲基甲酰胺中,并超声1小时,然后加入1 g聚氯乙烯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干得到还原石墨烯/聚氯乙烯复合材料。
实施例14
高质量石墨烯的实验条件与实施例2相同,得到高质量石墨烯后,取10 mg高质量石墨烯将其分散在10 g 二甲基甲酰胺中,并超声1小时,然后加入1 g 聚氯乙烯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干得到高质量石墨烯/聚氯乙烯复合材料,杨氏模量随石墨烯添加量变化曲线如图8所示,高质量石墨烯/聚氯乙烯复合材料的杨氏模量随石墨烯添加量逐渐增加而加大。
实施例15
还原石墨烯的实验条件与实施例1相同,得到还原石墨烯后,取10 mg还原石墨烯将其分散在10 g 二甲基甲酰胺中,并超声1小时,然后加入1 g聚甲基丙烯酸甲酯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干得到还原石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。
实施例16
高质量石墨烯的实验条件与实施例2相同,得到高质量石墨烯后,取10 mg高质量石墨烯将其分散在10 g 二甲基甲酰胺中,并超声1小时,然后加入1 g 聚甲基丙烯酸甲酯,搅拌2小时。待均匀分散后,在50℃下烘干得到高质量石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料,其弹性模量随石墨烯添加量变化曲线如图9所示,高质量石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的弹性模量随着石墨烯添加量的增多而增大,在3%处达到最大值,随后逐渐减小。
从上可以看出,还原石墨烯和高质量石墨烯与聚合物通过溶液混合后的强度和低温韧性均有明显的增强,且高质量石墨烯有最好的增强效果,实现了聚合物的高效利用。这对于低成本大批量实现聚合物韧性增强起到了促进作用。
Claims (10)
1.一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:将还原石墨烯或高质量石墨烯分散在极性溶剂中,超声后加入聚合物混合均匀,烘干,即得石墨烯/聚合物复合材料。
2.根据权利要求1所述一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:所述还原石墨烯的制备方法为:先制备氧化石墨烯,再将其还原,即得还原石墨烯。
3.根据权利要求2所述一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:所述氧化石墨烯的制备方法为化学剥离法。
4.根据权利要求2所述一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:所述还原为热还原或化学还原。
5.根据权利要求1所述一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:所述高质量石墨烯的制备方法为放电等离子体烧结法,所述放电等离子体烧结法的条件为:真空度低于30 Pa,压强5-200 MPa,温度100-2000 ℃,放电电流100 A,时间5min。
6.根据权利要求1所述一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:所述聚合物与极性溶剂的质量比为1:10。
7.根据权利要求1所述一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:所述还原石墨烯或高质量石墨烯与聚合物的质量比为0.1~2:100。
8.根据权利要求1或7所述一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
9.根据权利要求1所述一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:所述聚合物为聚偏氟乙烯时,极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮;所述聚合物为聚碳酸酯时,极性溶剂为三氯甲烷;所述聚合物为聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯时,极性溶剂为二甲基甲酰胺。
10.根据权利要求1所述一种石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:所述超声条件为:功率800W,频率25KHz,时间1h。
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