CN109182828A - 一种改性石墨烯黄铜复合材料 - Google Patents

一种改性石墨烯黄铜复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，由以下材料制备而成：石墨烯5‑15%，腐殖酸1‑5%，余量为黄铜。本发明改性石墨烯黄铜复合材料采用石墨烯和腐殖酸作为互相补充的添加成分，利用腐殖酸所具有的独特形貌结构特点，与石墨烯相互贴合，在不破坏石墨烯的表面形态结构的情况下实现石墨烯分散性的促进。同时腐殖酸具有类似于石墨烯的结构形貌特质，能够在一定程度上辅助作为增强相实现复合材料的性能增强。

Description

一种改性石墨烯黄铜复合材料
技术领域
本发明涉及一种有机材料改性复合材料，特别是一种石墨烯黄铜复合材料，属于新型复合材料技术领域。
背景技术
石墨烯(graphene)，是从石墨中剥离出的平面态碳材料，石墨烯具有六角晶格，平面上每一个碳原子都以sp2杂化轨道相衔接。石墨烯薄膜厚度只有0.335纳米，平面内的碳原子相互之前以大π键形成空间电子云，石墨烯的这种结构使其具有突破普通石墨烯材料的独特性能表现。
石墨烯的独特优势性能主要表现在石墨烯平面sp2杂化轨道衔接结构，在石墨烯平面延伸的方向上，石墨烯具有超强的稳定性，同时大π键使得石墨烯延伸方向具有超级热传导、电子传导性能。如果能够将石墨烯的形成充分利用，可以发挥出超越性能，使得常规材料的性能大幅度提升。
但是石墨烯的应用过程中往往需要面对单层石墨烯分子之间相互堆叠，转变为石墨性质的状态，多层石墨烯堆叠以后层间错位、滑动使得石墨烯单层结构内部的超强性能难以充分发挥。
因此，有人提出对于石墨烯进行改性处理，采用强酸或强碱部分破坏石墨烯的平面完美结构，使得石墨烯表面形成一定量的官能团，利用这些官能团的空间位阻效应，使得石墨烯分子之间的堆叠现象得到缓解，进而充分发挥出石墨烯分子的超强性能特点。
但是，石墨烯分子sp2杂化轨道本身具有很好的稳定性，必须使用性质极其活跃的强酸或强碱处理，进而使得石墨烯分子表面的破坏作用很强，石墨烯分子表面结构损伤严重，性能劣化。
一方面，改性处理增强石墨烯的分散性能，使得石墨烯能够更好的分散开来发挥出性能优势；另一方面，改性处理又会导致石墨烯分子结构的损伤，降低石墨烯分子的性能优势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中石墨烯分子改性处理的过程中对于石墨烯分子结构的破坏太强，不利于石墨烯作为复合材料原料应用发挥其性能优势的不足，提供一种改性石墨烯黄铜复合材料。
为了实现上述发明目的，本发明提供一下技术方案：
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由重量百分比的以下材料制备而成：石墨烯5-15％，腐殖酸1-5％，余量为黄铜。
本发明改性石墨烯黄铜复合材料采用石墨烯和腐殖酸作为互相补充的添加成分，利用腐殖酸所具有的独特形貌结构特点，与石墨烯相互贴合，在不破坏石墨烯的表面形态结构的情况下实现石墨烯分散性的促进。同时腐殖酸具有类似于石墨烯的结构形貌特质，能够在一定程度上辅助作为增强相实现复合材料的性能增强。
腐殖酸，又称腐植酸、黑腐酸、胡敏酸，是一种自然界中广泛存在的大分子有机物质。腐殖酸是动植物遗骸经过微生物分解和转化，以及地球化学的一系列过程造成和积累起来的一类有机物质。腐殖酸大分子的基本结构是芳环、脂环，环上连有羧基、羟基、羰基、醌基、甲氧基等官能团。
进一步，所述改性石墨烯黄铜复合材料中，腐殖酸用于改性石墨烯。
进一步，所述改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯6-12％，腐殖酸1-4％，余量为黄铜。
进一步，所述改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯6-10％，腐殖酸1-4％，余量为黄铜。
进一步，所述石墨烯复合材料中石墨烯的含量为6-8％，腐殖酸含量为2-3％，余量为黄铜。
发明人通过大量的实验研究确定通过优化调整石墨烯和腐殖酸的应用添加比例，可以更好的发挥出石墨烯和腐殖酸的相互配合，达到突出的性能增强效果，使得石墨烯的综合性能更加优秀。
进一步，所述黄铜是H62、H65、H70、H75、H80、H85、H90、H95黄铜。
优选地，所述黄铜是铜含量为80-96wt％的黄铜。更优选地，黄铜中铜含量为92-96wt％。
本发明的另一目的是提供一种制备上述改性石墨烯黄铜复合材料的制备方法，更加充分的发挥出石墨烯的综合改性效果。
一种制备上述改性石墨烯复合材料制备方法：
(1)将石墨烯和腐殖酸混合，投入第一溶剂中，搅拌混合均匀，干燥，得到石墨烯和腐殖酸混合料。
(2)取黄铜原料，加热融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
通过将石墨烯和腐殖酸进行预先混合，利用腐殖酸将石墨烯充分分散开来，然后将两者的混合料加入到融化的黄铜，在氮气保护下三者熔融混合均匀，得到所需改性石墨烯黄铜复合材料。石墨烯和腐殖酸在第一溶剂中经过搅拌混合充分作用，相互复合均匀，然后再和融化的黄铜进行复合作用，达到石墨烯在黄铜中充分均匀分散实现突出改性的效果。
进一步，所述第一溶剂是水、低分子醇、丙酮等任意一种或几种。
优选地，所述第一溶剂是水。溶剂更加环保，石墨烯和腐殖酸复合以后的干燥处理也更加简便和安全。
进一步，步骤1，搅拌混合物料的时候，采用强力搅拌。
优选地，采用机械搅拌，搅拌速度≥6000r/min。
优选地，搅拌时间10-60min。优选10-30min。
通过强力搅拌使得石墨烯在第一溶剂中充分分散，进而可以和腐殖酸之间发生充分作用，使得腐殖酸和石墨烯之间的相互复合更加高效，达到有效改善石墨烯分散状态的效果。
进一步，步骤2，黄铜原料加热至1020-1080℃，完全融化，然后加入步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料，搅拌，继续熔炼10-30min，随炉冷却，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
进一步，步骤2，还可以是将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料磨粉分散，然后加入黄铜粉末，混合均匀，在氮气保护下，进行烧结成型，得到石墨烯复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明制备的改性石墨烯黄铜复合材料利用腐殖酸和石墨烯进行协同，制备高品质的石墨烯增强黄铜复合材料，石墨烯经过腐殖酸改性，整体分散性能得到强化，并且不损伤石墨烯固有增强特性，石墨烯在复合材料中能够充分发挥增强作用。
2、本发明制备的改性石墨烯黄铜复合材料，采用预先将石墨烯和腐殖酸在溶液中进行分散复合，利用溶液环境使得石墨烯充分分散，然后和腐殖酸相互结合，达到优秀品质。避免石墨烯和腐殖酸在复合材料中未能充分结合相互促进的问题。
3、本发明还提供相应的制备方法，确保石墨烯和腐殖酸的相互作用效果突出，达到理想的协同促进作用，分散增强复合材料。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯10％，腐殖酸3％，余量为黄铜。
实施例2
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯15％，腐殖酸5％，余量为H85黄铜。
实施例3
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯6％，腐殖酸2％，余量为H85黄铜。制备所述改性石墨烯复合材料制备方法：
(1)将石墨烯和腐殖酸混合，投入2倍重量的去离子水中，3000r/min搅拌混合10min，减压浓缩至干，得到石墨烯和腐殖酸混合料。
(2)取黄铜原料，加热融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，继续熔炼20min。然后随炉冷却，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
实施例4
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯10％，腐殖酸3％，余量为H85黄铜。制备所述改性石墨烯复合材料的方法如下：
(1)将石墨烯和腐殖酸混合，投入2倍重量的去离子水中，3000r/min搅拌混合10min，减压浓缩至干，得到石墨烯和腐殖酸混合料。
(2)取黄铜原料，加热至1100℃融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，继续熔炼10min。然后随炉冷却，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
实施例5
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯10％，腐殖酸3％，余量为H85黄铜。制备所述改性石墨烯复合材料的方法如下：
(1)将石墨烯和腐殖酸混合，投入2倍重量的去离子水中，3000r/min搅拌混合10min，减压浓缩至干，得到石墨烯和腐殖酸混合料。
(2)取黄铜原料，加热至1100℃融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，继续熔炼20min。然后随炉冷却，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
实施例6
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯8％，腐殖酸3％，余量为H95黄铜。制备所述改性石墨烯复合材料的方法如下：
(1)将石墨烯和腐殖酸混合，投入2倍重量的去离子水中，3000r/min搅拌混合10min，减压浓缩至干，得到石墨烯和腐殖酸混合料。
(2)取黄铜原料，加热至1100℃融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，继续熔炼20min。然后随炉冷却，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
实施例7
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯8％，腐殖酸2％，余量为H95黄铜。制备所述改性石墨烯复合材料的方法如下：
(1)将石墨烯和腐殖酸混合，投入3倍重量的80v％乙醇中，3000r/min搅拌混合10min，减压浓缩至干，得到石墨烯和腐殖酸混合料。
(2)取黄铜原料，加热至1100℃融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，继续熔炼15min，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
实施例8
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯8％，腐殖酸2％，余量为H95黄铜。制备所述改性石墨烯复合材料的方法如下：
(1)将石墨烯和腐殖酸混合，投入3倍重量的80v％乙醇中，3000r/min搅拌混合30min，减压浓缩至干，得到石墨烯和腐殖酸混合料。
(2)取黄铜原料，加热至1100℃融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，继续熔炼12min，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
实施例9
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯8％，腐殖酸2％，余量为H95黄铜。制备所述改性石墨烯复合材料的方法如下：
(1)将石墨烯和腐殖酸混合，投入3倍重量的80v％乙醇中，6000r/min搅拌混合15min，减压浓缩至干，得到石墨烯和腐殖酸混合料。
(2)取黄铜原料，加热至1100℃融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，继续熔炼12min，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
实施例10
一种改性石墨烯黄铜复合材料，由以下材料制备而成：石墨烯8％，腐殖酸2％，余量为H95黄铜。制备所述改性石墨烯复合材料的方法如下：
(1)将石墨烯和腐殖酸混合，投入3倍重量的80v％乙醇中，6000r/min搅拌混合15min，减压浓缩至干，得到石墨烯和腐殖酸混合料。
(2)将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料磨粉分散，然后加入黄铜粉末，混合均匀，在氮气保护下，加热至1100℃，保温10min，烧结成型，得到改性石墨烯复合材料。
对比例1
一种石墨烯黄铜复合材料，将重量百分比的石墨烯8％和H95黄铜粉末92％，混合均匀，氮气保护下，用加热至1100℃，保温10min，烧结成型，得到石墨烯复合材料。
对比例2
一种石墨烯黄铜复合材料，按重量百分比称取腐殖酸3％和H95黄铜粉末97％，将腐殖酸磨粉，然后和黄铜粉末混合均匀，氮气保护下，用加热至1100℃，保温10min，烧结成型，得到石墨烯复合材料。
测试
将上述实施例2-10和对比例1-2制备的复合材料进行测试，检测材料的抗拉强度MPa、导热系数/W·(m·K)-1、结果如下：
表1测试结果
抗拉强度/MPa 导热系数/W·(m·K)<sup>-1</sup>
黄铜H85 312 152
黄铜H95 320 234
实施例2 320 171
实施例3 326 162
实施例4 321 165
实施例5 325 169
实施例6 328 255
实施例7 334 251
实施例8 333 251
实施例9 341 274
实施例10 340 281
对比例1 305 233
对比例2 298 212
本发明提供的石墨烯增强黄铜复合材料，通过将改性石墨烯和黄铜充分结合，实现良好的增强作用，对于黄铜抗拉强度和导热系数都有不同程度的改善提升，对于H85和H95黄铜原料制成复合材料以后，抗拉强度均有一定提升，并且材料的导热系数也有较大的改善。本发明石墨烯增强复合材料有望替代普通黄铜作为增强材料使用。

Claims (10)

1.一种改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，由重量百分比的以下材料制备而成：石墨烯5-15%，腐殖酸1-5%，余量为黄铜。
2.如权利要求1所述改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，所述改性石墨烯黄铜复合材料中，腐殖酸用于改性石墨烯。
3.如权利要求1所述改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，所述改性石墨烯黄铜复合材料，由重量百分比的以下材料制备而成：石墨烯6-12%，腐殖酸1-4%，余量为黄铜。
4.如权利要求1所述改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，所述改性石墨烯黄铜复合材料，由重量百分比的以下材料制备而成：石墨烯6-10%，腐殖酸1-4%，余量为黄铜。
5.如权利要求1所述改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，所述石墨烯黄铜复合材料中石墨烯的含量为6-8%，腐殖酸含量为2-3%，余量为黄铜。
6.如权利要求1所述改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，所述黄铜是H62、H65、H70、H75、H80、H85、H90、H95黄铜。
7.如权利要求1所述改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，所述黄铜是铜含量为80-96wt%的黄铜。
8.如权利要求7所述改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，所述黄铜中铜含量为92-96wt%。
9.如权利要求1所述改性石墨烯黄铜复合材料，其特征在于，所述改性石墨烯复合材料通过以下方法制备：
（1）将石墨烯和腐殖酸混合，投入第一溶剂中，搅拌混合均匀，干燥，得到石墨烯和腐殖酸混合料；
（2）取黄铜原料，加热融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，得到改性石墨烯黄铜复合材料。
10.如权利要求9所述改性石墨烯黄铜复合材料，步骤1中，所述第一溶剂是水、低分子醇、丙酮等任意一种或几种。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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