CN109096752A - 一种石墨烯导电复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯导电复合材料及其制备方法，属于石墨烯导电材料领域。本发明以氧化石墨烯为原料，加入乙烯基三乙氧基硅烷，提高氧化石墨烯片层与导电物质之间的界面粘粘结强度，有助于介电常数和介电损耗的降低，提高导电效率；以细菌纤维素为原料经高碘酸钠氧化，亚硫酸氢钠磺化，增加离子传导的交换位点和运输通道，使导电性得到提高，增加导电复合材料的导电率；以聚乙烯醇为原料，加入3‑氯‑2‑羟丙基三甲基氯化铵，在聚乙烯醇侧链上引入季铵基团，再加入环氧氯丙烷接枝共聚，形成改性活性剂，使得复合材料的拉伸强度和力学性能得到提升。本发明解决了目前石墨烯导电材料在生产过程中加工流动性差，导致复合材料力学性会下降的问题。

Description

一种石墨烯导电复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于石墨烯导电材料领域，具体涉及一种石墨烯导电复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨材料具有加工精度高和表面效果好的优点，特别是在精密、复杂、薄壁、高硬材料的模具型腔加工中有着较大的优势。石墨材料与铜相比，有着消耗少、放电速度快、重量轻以及热膨胀系数小等优越性，因此逐渐替代铜电极成为放电加工材料的主流。石墨放电比铜快2-3倍，材料不易变形，在薄筋电极的加工上优势明显，铜的软化点在1000℃左右，容易因受热而产生变形，石墨的升华温度为3650℃左右，相比而言，石墨材料热膨胀系数只有铜材的1/30。石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。由于石墨烯优异的物理性质，已被应用在诸如柔性电子、传感器、医疗、射频天线等领域，制备高质量，同时具有低成本，绿色高效的石墨烯系列产品越来越成为研究的热点。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。石墨烯的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。为了获得较高的电导率，通常要在聚合物基体中加入高体积分的填料，由此不但造成复合材料在生产过程中加工流动性变差，而且导致复合材料力学性能下降、生产成本增加。综上所述，因此需要一种更好的导电材料来改善现有技术的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对目前石墨烯导电材料在生产过程中加工流动性差，导致复合材料力学性会下降的问题，提供一种石墨烯导电复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：

一种石墨烯导电复合材料，包括石墨烯基材、纳米添加剂、改性活性剂；

所述石墨烯基材的制备方法，包括如下步骤：

（1）取氧化石墨烯按质量比3~5：1~4：80~120加入乙烯基三乙氧基硅烷、无水乙醇搅拌混合，再加入氧化石墨烯质量60~70%的去离子水，调节pH至3~4，超声分散，于55~60℃保温，抽滤，取抽滤渣经丙酮洗涤，干燥，得干燥物；

（2）取干燥物按质量比1~3：80~100加入乙醇，再加入干燥物质量4~6倍的甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷搅拌混合，得混合物，取混合物按质量比100~150：2~5加入Pt/C催化剂，通入氩气保护，搅拌混合，冷却至室温，即得石墨烯基材。

所述步骤（2）中石墨烯基材的搅拌混合条件为：升温至45~50℃搅拌混合3~5h。

所述纳米添加剂为：取细菌纤维素按质量比1~3：8~10加入高碘酸钠溶液，避光静置24~36h，过滤，取出浸泡后细菌纤维素按质量比2~5：8~15加入亚硫酸氢钠溶液中，于45~50℃搅拌混合，过滤，取滤渣经去离子水洗涤，干燥，得纳米添加剂。

所述改性活性剂的制备方法，包括如下步骤：

S1.取聚乙烯醇按质量比2~5：6~8加入去离子水，于85~90℃搅拌混合20~30min，再加入聚乙烯醇质量5~10%的氢氧化钾，于65~70℃搅拌混合10~20min，得搅拌混合物，取搅拌混合物按质量比4~9：2~4：30~40加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵搅拌混合，得搅拌混合物a；

S2.取搅拌混合物a于75~80℃、500r/min搅拌，加入搅拌混合物质量40~50%的氢氧化钾溶液搅拌混合，再加入搅拌混合物a质量50~60%的环氧氯丙烷，调节pH至10~11，搅拌混合，调节pH至6.8~7，静置，得改性活性剂。

所述步骤S1中搅拌混合物a的搅拌混合条件为：于65~70℃搅拌混合2~5h。

一种石墨烯导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：

按质量份数计，取10~30份纳米添加剂、50~70份石墨烯基材、8~15份改性活性剂、90~100份去离子水混合，超声分散，得超声分散液，取苯胺按质量比1~4：7~9加入盐酸混合，得混合液，取超声分散液按质量比2~5：1~3加入混合液搅拌混合，再加入超声分散液质量3~7%的过硫酸铵，静置，透析，取透析液浇注于聚四氟乙烯模具中，干燥，剥离，即得石墨烯导电复合材料。

所述加入混合液的搅拌混合条件为：于75~80℃搅拌混合2~5h。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

（1）本发明以氧化石墨烯为原料，加入乙烯基三乙氧基硅烷，使氧化石墨烯表面含有用于硅氢加成反应的不饱和双键，之后用含有活性双键的超支化聚硅烷单体甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，既有用于硅氢加成反应的硅氢键，又有两个不饱和的双键，在Pt/C催化剂的作用下使乙烯基硅氧烷接枝的氧化石墨烯与超支化聚硅烷单体进行硅氢加成反应，其对氧化石墨烯的片层结构的破坏较小，同时使得修饰后氧化石墨烯体积变大，结构疏松，层间作用力减小，使得在复合材料中的分散性能得到提高，有效的抑制其片层的重新堆叠、聚集，同时在复合材料网络中引入了柔性的硅氧链，同时较长的柔性链段的引入也会使交联点间的链节变大，进而对导电复合材料起到了增韧的效果，使得力学性能得到提升，得到的石墨烯基材表面富含活性双键基团，它们可以与导电苯胺产生化学键合作用，提高氧化石墨烯片层与导电物质之间的界面粘粘结强度，这些作用能有效的抑制聚合物链的运动以及极性基团的运动，有助于介电常数和介电损耗的降低，提高了导电效率；

（2）本发明以细菌纤维素为原料经高碘酸钠氧化，再经亚硫酸氢钠磺化，将磺酸基引入细菌纤维素上，后期经原位聚合将苯胺单体渗透进入分散形成的网络结构中，纳米添加剂上带有的羟基和苯胺的氨基形成氢键，可以均匀的分布在界面中，同时磺酸基的引入，增加了离子传导的交换位点和运输通道，使得导电性得到提高，增加导电复合材料的导电率；

（3）本发明以聚乙烯醇为原料，加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，在聚乙烯醇侧链上引入季铵基团，再加入环氧氯丙烷接枝共聚，形成改性活性剂，引入的环氧基团，使得石墨烯基材、纳米添加剂与导电物质之间的相容性得到提高，为导电复合材料的接枝共聚提供了较多的活性位点，使得接枝率提高，发挥各自的优势，同时加工后经交联形成致密的结构，使得复合材料的拉伸强度和力学性能得到提升。

具体实施方式

石墨烯基材：

（1）取氧化石墨烯按质量比3~5：1~4：80~120加入乙烯基三乙氧基硅烷、无水乙醇，搅拌混合30~40min，再加入氧化石墨烯质量60~70%的去离子水，调节pH至3~4，超声分散1~3h，于55~60℃保温4~6h，抽滤，取抽滤渣经丙酮洗涤，干燥，得干燥物；

（2）取干燥物按质量比1~3：80~100加入质量分数为80%的乙醇，再加入干燥物质量4~6倍的甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，搅拌混合30~40min，得混合物，取混合物按质量比100~150：2~5加入Pt/C催化剂，通入氩气保护，升温至45~50℃搅拌混合3~5h，冷却至室温，即得石墨烯基材。

纳米添加剂：取细菌纤维素按质量比1~3：8~10加入浓度0.04mol/L高碘酸钠溶液，避光静置24~36h，过滤，取出浸泡后细菌纤维素按质量比2~5：8~15加入质量分数为5%的亚硫酸氢钠溶液中，于45~50℃搅拌混合3~5h，过滤，取滤渣经去离子水洗涤，干燥，得纳米添加剂。

改性活性剂：

S1.取聚乙烯醇按质量比2~5：6~8加入去离子水，于85~90℃搅拌混合20~30min，再加入聚乙烯醇质量5~10%的氢氧化钾，于65~70℃搅拌混合10~20min，得搅拌混合物，取搅拌混合物按质量比4~9：2~4：30~40加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，于65~70℃搅拌混合2~5h，得搅拌混合物a；

S2.取搅拌混合物a于75~80℃、500r/min搅拌20~30min，加入搅拌混合物质量40~50%的氢氧化钾溶液，搅拌混合30~50min，再加入搅拌混合物a质量50~60%的环氧氯丙烷，调节pH至10~11，搅拌混合1~3h，调节pH至6.8~7，静置1~3h，得改性活性剂。

一种石墨烯导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：

按质量份数计，取10~30份纳米添加剂、50~70份石墨烯基材、8~15份改性活性剂、90~100份去离子水混合，超声分散20~30min，得超声分散液，取苯胺按质量比1~4：7~9加入浓度为1.5mol/L的盐酸混合，得混合液，取超声分散液按质量比2~5：1~3加入混合液，于75~80℃搅拌混合2~5h，再加入超声分散液质量3~7%的过硫酸铵，静置18~24h，透析，取透析液浇注于聚四氟乙烯模具中，干燥，剥离，即得石墨烯导电复合材料。

石墨烯基材：

（1）取氧化石墨烯按质量比3：1：80加入乙烯基三乙氧基硅烷、无水乙醇，搅拌混合30min，再加入氧化石墨烯质量60%的去离子水，调节pH至3，超声分散1h，于55℃保温4h，抽滤，取抽滤渣经丙酮洗涤，干燥，得干燥物；

（2）取干燥物按质量比1：80加入质量分数为80%的乙醇，再加入干燥物质量4倍的甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，搅拌混合30min，得混合物，取混合物按质量比100：2加入Pt/C催化剂，通入氩气保护，升温至45℃搅拌混合3h，冷却至室温，即得石墨烯基材。

纳米添加剂：取细菌纤维素按质量比1：8加入浓度0.04mol/L高碘酸钠溶液，避光静置24h，过滤，取出浸泡后细菌纤维素按质量比2：8加入质量分数为5%的亚硫酸氢钠溶液中，于45℃搅拌混合3h，过滤，取滤渣经去离子水洗涤，干燥，得纳米添加剂。

改性活性剂：

S1.取聚乙烯醇按质量比2：6加入去离子水，于85℃搅拌混合20min，再加入聚乙烯醇质量5%的氢氧化钾，于65℃搅拌混合10min，得搅拌混合物，取搅拌混合物按质量比4：2：30加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，于65℃搅拌混合2h，得搅拌混合物a；

S2.取搅拌混合物a于75℃、500r/min搅拌20min，加入搅拌混合物质量40%的氢氧化钾溶液，搅拌混合30min，再加入搅拌混合物a质量50%的环氧氯丙烷，调节pH至10，搅拌混合1h，调节pH至6.8，静置1h，得改性活性剂。

一种石墨烯导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：

按质量份数计，取10份纳米添加剂、50份石墨烯基材、8份改性活性剂、90份去离子水混合，超声分散20min，得超声分散液，取苯胺按质量比1：7加入浓度为1.5mol/L的盐酸混合，得混合液，取超声分散液按质量比2：1加入混合液，于75℃搅拌混合2h，再加入超声分散液质量3%的过硫酸铵，静置18h，透析，取透析液浇注于聚四氟乙烯模具中，干燥，剥离，即得石墨烯导电复合材料。

石墨烯基材：

（1）取氧化石墨烯按质量比5：4：120加入乙烯基三乙氧基硅烷、无水乙醇，搅拌混合40min，再加入氧化石墨烯质量70%的去离子水，调节pH至4，超声分散3h，于60℃保温6h，抽滤，取抽滤渣经丙酮洗涤，干燥，得干燥物；

（2）取干燥物按质量比3：100加入质量分数为80%的乙醇，再加入干燥物质量6倍的甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，搅拌混合40min，得混合物，取混合物按质量比150：5加入Pt/C催化剂，通入氩气保护，升温至50℃搅拌混合5h，冷却至室温，即得石墨烯基材。

纳米添加剂：取细菌纤维素按质量比3：10加入浓度0.04mol/L高碘酸钠溶液，避光静置36h，过滤，取出浸泡后细菌纤维素按质量比5：15加入质量分数为5%的亚硫酸氢钠溶液中，于50℃搅拌混合5h，过滤，取滤渣经去离子水洗涤，干燥，得纳米添加剂。

改性活性剂：

S1.取聚乙烯醇按质量比5：8加入去离子水，于90℃搅拌混合30min，再加入聚乙烯醇质量10%的氢氧化钾，于70℃搅拌混合20min，得搅拌混合物，取搅拌混合物按质量比9：4：40加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，于70℃搅拌混合5h，得搅拌混合物a；

S2.取搅拌混合物a于80℃、500r/min搅拌30min，加入搅拌混合物质量50%的氢氧化钾溶液，搅拌混合50min，再加入搅拌混合物a质量60%的环氧氯丙烷，调节pH至11，搅拌混合3h，调节pH至7，静置3h，得改性活性剂。

一种石墨烯导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：

按质量份数计，取30份纳米添加剂、70份石墨烯基材、15份改性活性剂、100份去离子水混合，超声分散30min，得超声分散液，取苯胺按质量比4：9加入浓度为1.5mol/L的盐酸混合，得混合液，取超声分散液按质量比5：3加入混合液，于80℃搅拌混合5h，再加入超声分散液质量7%的过硫酸铵，静置24h，透析，取透析液浇注于聚四氟乙烯模具中，干燥，剥离，即得石墨烯导电复合材料。

石墨烯基材：

（1）取氧化石墨烯按质量比4：3：90加入乙烯基三乙氧基硅烷、无水乙醇，搅拌混合35min，再加入氧化石墨烯质量65%的去离子水，调节pH至3.5，超声分散2h，于57℃保温5h，抽滤，取抽滤渣经丙酮洗涤，干燥，得干燥物；

（2）取干燥物按质量比2：90加入质量分数为80%的乙醇，再加入干燥物质量5倍的甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，搅拌混合35min，得混合物，取混合物按质量比120：3加入Pt/C催化剂，通入氩气保护，升温至47℃搅拌混合4h，冷却至室温，即得石墨烯基材。

纳米添加剂：取细菌纤维素按质量比2：9加入浓度0.04mol/L高碘酸钠溶液，避光静置32h，过滤，取出浸泡后细菌纤维素按质量比3：11加入质量分数为5%的亚硫酸氢钠溶液中，于47℃搅拌混合4h，过滤，取滤渣经去离子水洗涤，干燥，得纳米添加剂。

改性活性剂：

S1.取聚乙烯醇按质量比3：7加入去离子水，于87℃搅拌混合25min，再加入聚乙烯醇质量6%的氢氧化钾，于67℃搅拌混合15min，得搅拌混合物，取搅拌混合物按质量比5：3：35加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，于67℃搅拌混合3h，得搅拌混合物a；

S2.取搅拌混合物a于78℃、500r/min搅拌25min，加入搅拌混合物质量45%的氢氧化钾溶液，搅拌混合35min，再加入搅拌混合物a质量55%的环氧氯丙烷，调节pH至10.5，搅拌混合2h，调节pH至6.9，静置2h，得改性活性剂。

一种石墨烯导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：

按质量份数计，取20份纳米添加剂、60份石墨烯基材、9份改性活性剂、95份去离子水混合，超声分散25min，得超声分散液，取苯胺按质量比3：8加入浓度为1.5mol/L的盐酸混合，得混合液，取超声分散液按质量比3：2加入混合液，于77℃搅拌混合3h，再加入超声分散液质量4%的过硫酸铵，静置21h，透析，取透析液浇注于聚四氟乙烯模具中，干燥，剥离，即得石墨烯导电复合材料。

对比例1：与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是缺少石墨烯基材。

对比例2：与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是缺少纳米添加剂。

对比例3：与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是缺少改性活性剂。

对比例4：深圳市某公司生产的石墨烯导电复合材料。

将上述石墨烯导电复合材料进行检测，面电阻测试：使用Keithley2700对石墨烯导电复合材料的面电阻进行测试，采用智能抗压强度试验机，对石墨烯导电复合材料进行抗压强度、抗折强度检测，用导电仪测定产品的导电率，得到的结果如表1所示。

表1：

检测项目	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4
								面电阻（mΩ/sq）	315	284	306	496	480	538	596
抗折强度（Mpa）	6.1	8.54	7.03	4.23	3.5	3.68	3.18
								抗压强度（Mpa）	23.22	55.56	37.96	22.32	20.03	21.21	13.05
电导率10×10³（S/m）	7.853	7.863	7.787	6.582	6.135	6.324	5.413

综合上述，本发明的石墨烯导电复合材料效果更好，值得推广使用。

Claims (7)

1.一种石墨烯导电复合材料，其特征在于，包括石墨烯基材、纳米添加剂、改性活性剂；

所述石墨烯基材的制备方法，包括如下步骤：

（1）取氧化石墨烯按质量比3~5：1~4：80~120加入乙烯基三乙氧基硅烷、无水乙醇搅拌混合，再加入氧化石墨烯质量60~70%的去离子水，调节pH至3~4，超声分散，于55~60℃保温，抽滤，取抽滤渣经丙酮洗涤，干燥，得干燥物；

（2）取干燥物按质量比1~3：80~100加入乙醇，再加入干燥物质量4~6倍的甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷搅拌混合，得混合物，取混合物按质量比100~150：2~5加入Pt/C催化剂，通入氩气保护，搅拌混合，冷却至室温，即得石墨烯基材。

2.根据权利要求1所述的石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述步骤（2）中石墨烯基材的搅拌混合条件为：升温至45~50℃搅拌混合3~5h。

3.根据权利要求1所述的石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述纳米添加剂为：取细菌纤维素按质量比1~3：8~10加入高碘酸钠溶液，避光静置24~36h，过滤，取出浸泡后细菌纤维素按质量比2~5：8~15加入亚硫酸氢钠溶液中，于45~50℃搅拌混合，过滤，取滤渣经去离子水洗涤，干燥，得纳米添加剂。

4.根据权利要求1所述的石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述改性活性剂的制备方法，包括如下步骤：

S1.取聚乙烯醇按质量比2~5：6~8加入去离子水，于85~90℃搅拌混合20~30min，再加入聚乙烯醇质量5~10%的氢氧化钾，于65~70℃搅拌混合10~20min，得搅拌混合物，取搅拌混合物按质量比4~9：2~4：30~40加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵搅拌混合，得搅拌混合物a；

S2.取搅拌混合物a于75~80℃、500r/min搅拌，加入搅拌混合物质量40~50%的氢氧化钾溶液搅拌混合，再加入搅拌混合物a质量50~60%的环氧氯丙烷，调节pH至10~11，搅拌混合，调节pH至6.8~7，静置，得改性活性剂。

5.根据权利要求4所述的石墨烯导电复合材料，其特征在于，所述步骤S1中搅拌混合物a的搅拌混合条件为：于65~70℃搅拌混合2~5h。

6.一种如权利要求1~5任意一项所述的石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

按质量份数计，取10~30份纳米添加剂、50~70份石墨烯基材、8~15份改性活性剂、90~100份去离子水混合，超声分散，得超声分散液，取苯胺按质量比1~4：7~9加入盐酸混合，得混合液，取超声分散液按质量比2~5：1~3加入混合液搅拌混合，再加入超声分散液质量3~7%的过硫酸铵，静置，透析，取透析液浇注于聚四氟乙烯模具中，干燥，剥离，即得石墨烯导电复合材料。

7.根据权利要求6所述的石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述加入混合液的搅拌混合条件为：于75~80℃搅拌混合2~5h。