CN113881214B - 一种高导电石墨烯/聚合物复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导电石墨烯/聚合物复合材料及制备方法，包括以下步骤：步骤1：将石墨烯粉和水性聚氨酯乳液在溶剂中充分混合均匀，得到石墨烯分散液；步骤2：将步骤1得到的石墨烯分散液，刷涂在加热的聚氨酯热溶胶网膜表面，干燥后，即可得到石墨烯/聚氨酯网膜；步骤3：将步骤2得到的石墨烯/聚氨酯网膜以石墨烯涂层面相互接触的方式对折，热压后即可得到所需复合材料。本发明得到的复合材料具有优异的导电特性以及机械柔韧性，本发明工艺流程简单，操作方便，对制备条件要求低，克服了传统熔融共混法功能粒子高填量下难以加工的难题。

Description

一种高导电石墨烯/聚合物复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物复合材料技术领域，具体涉及一种高导电石墨烯/聚合物复合材料及制备方法。
背景技术
聚合物材料因其轻质、柔韧性好、易加工等优点受到人们的广泛关注，但是其固有的绝缘性极大程度限制了在要求导电功能的电力电子器件领域应用。通过在聚合物基体中添加导电功能粒子制备聚合物复合材料是目前广泛采用的增强材料导电性能的有效方法。对聚合物导电复合材料而言，其制备关键是在聚合物基体中形成连续的导电网络，只有形成连续的导电网络，复合材料才能具备优良的导电性能。
传统的聚合物基导电复合材料主要采用熔融混合、溶液混合的方法制备而成，其中导电功能粒子在聚合物基体中随机分布，构建导电网络的能力较低，材料内部无法形成高效完整的导电网络。同时，导电粒子被聚合物包裹，接触电阻与界面热阻大，无法充分发挥导电粒子的固有良好性能。尽管可以通过添加导电粒子含量提高复合材料的导电性能，但高添加量带来复合材料机械性能降低、加工性变差等问题。
目前，通过对聚合物导电复合材料微观结构设计，“有目的”的构建导电通路可以显著提高复合材料导电性能，常用方法包括功能粒子取向结构设计、杂化粒子复配、构建双逾渗透结构、自组装构建3D网络等方法。尽管这些方法能够有效调控功能粒子的分布形态，实现高效导电网络的构建，但是这些方法往往制备工艺复杂，对仪器设备的要求高，难以实现规模化应用生产。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种可以简便、高效、经济的制备具有高效导电网络结构的高导电石墨烯/聚合物复合材料及制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，
进一步的，所述步骤1中水性聚氨酯溶液固含量为30％，溶剂为水。
进一步的，所述步骤1中采用旋涡振荡器进行混合。
进一步的，所述步骤2中聚氨酯热溶胶网膜加热的温度为70℃。
进一步的，所述步骤3中热压的温度为130℃，压力为2MPa；热压时预热10s，热压时间为1min，冷却时间为3min。
进一步的，所述步骤1中石墨烯和水性聚氨酯乳液的质量比为9:1。
进一步的，所述步骤2中聚氨酯热熔胶网膜面密度为25g/m2。
石墨烯/聚合物复合材料，复合材料中按质量百分比计：石墨烯40％～60％，聚氨酯40％～60％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明工艺流程简单，操作方便，对制备条件要求低，克服了传统熔融共混法功能粒子高填量下难以加工的难题；
(2)本发明得到的复合材料，石墨烯片层之间先通过热压形成更为密实的导电通路，极大程度降低了石墨烯片层之间的接触电阻，通过短时间的熔融使一定量的高分子聚合物分子链运动进入两侧石墨烯片层之间，保证了材料结构的完成性和柔性；上述结构保证材料具有优异的导电特性以及机械柔韧性。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
图2为实施例2得到的石墨烯/聚合物复合材料的微观形态图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯粉末和固含量为30％的水性聚氨酯溶液，加入蒸馏水中，采用漩涡振荡器进行混匀，得到石墨烯分散液；
步骤2：将步骤1得到的石墨烯分散液，采用刷笔均匀的刷涂在加热的(表面温度为70℃)聚氨酯热溶胶网膜表面，干燥后(待网膜中的水分蒸干)，即可得到石墨烯/聚氨酯网膜；聚氨酯热熔胶网膜面密度为25g/m2。
步骤3：将步骤2得到的石墨烯/聚氨酯网膜以石墨烯涂层面相互接触的方式对折，热压后(采用压机进行热压)即可得到所需复合材料。热压的温度为130℃，压力为2MPa；热压时预热10s，热压时间为1min，冷却时间为3min。复合材料中按质量百分比计：石墨烯40％～60％，聚氨酯40％～60％。
实施例1
一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯与固含量为30％的水性聚氨酯乳液加入到蒸馏水中，石墨烯与水性聚氨酯乳液的质量比为9:1，漩涡振荡混匀得到石墨烯分散液。
步骤2：利用刷笔将步骤1得到的石墨烯分散液均匀刷涂在放置在70℃加热台上的聚氨酯热溶胶网膜表面，得到石墨烯/聚氨酯网膜。
步骤3：将步骤2得到的石墨烯/聚氨酯网膜热压，即可得到石墨烯/聚合物导电复合材料。热压机温度设置为130℃，压力为2MPa，热压时预热10s，热压时间为1min，冷却时间为3min。得到的复合材料中，按照质量百分比计，石墨烯40％、聚氨酯60％。
实施例2
一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯与固含量为30％的水性聚氨酯乳液加入到蒸馏水中，石墨烯与水性聚氨酯乳液的质量比为9:1，漩涡振荡混匀得到石墨烯分散液。
步骤2：利用刷笔将步骤1得到的石墨烯分散液均匀刷涂在放置在70℃加热台上的聚氨酯热溶胶网膜表面，得到石墨烯/聚氨酯网膜。
步骤3：将步骤2得到的石墨烯/聚氨酯网膜热压，即可得到石墨烯/聚合物导电复合材料。热压机温度设置为130℃，压力为2MPa，热压时预热10s，热压时间为1min，冷却时间为3min。得到的复合材料中，按照质量百分比计，石墨烯50％、聚氨酯50％。
得到的复合材料的微观形态图如图2所示，采用场发射扫描电子显微镜(Inspect-F,FEI,USA)对复合材料断面进行观察。从图中可以看出，复合材料具有层状梯度结构，聚合物含量从皮层到芯层逐渐减少，芯层形成密实的石墨烯导电通路，皮层石墨烯导电通路中渗入了少量聚合物。
实施例3
一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯粉末与固含量为30％的水性聚氨酯乳液加入到蒸馏水中，石墨烯与水性聚氨酯乳液的质量比为9:1，漩涡振荡混匀得到石墨烯分散液。
步骤2：利用刷笔将步骤1得到的石墨烯分散液均匀刷涂在放置在70℃加热台上的聚氨酯热溶胶网膜表面，得到石墨烯/聚氨酯网膜。
步骤3：将步骤2得到的石墨烯/聚氨酯网膜热压，即可得到石墨烯/聚合物导电复合材料。热压机温度设置为130℃，压力为2MPa，热压时预热10s，热压时间为1min，冷却时间为3min。得到的复合材料中，按照质量百分比计，石墨烯60％、聚氨酯40％。
为了说明本发明效果，设置对比例，对比例中复合材料制备方法如实施例1，不添加石墨烯与水性聚氨酯。
为了说明复合材料的导电性能，采用RTS-8四探针测试仪对不同石墨烯含量下复合材料的电导率进行测试，测试结果如表1所示。
表1.石墨烯/聚合物导电复合材料的电导率
Figure BDA0003317796750000041
从表1中可以看出，本发明得到的石墨烯/聚合物复合材料表现出优异的导电性能。复合材料在石墨烯含量为40％时，电导率达到480.6S/m；当石墨烯含量增加到60％时，复合材料电导率高达2546.5S/m。复合材料优异的导电特性主要归因于其独特的层状梯度结构设计，聚合物含量从皮层到芯层逐渐减少，芯层形成密实的石墨烯导电通路，皮层石墨烯导电通路中渗入了少量聚合物。本发明采用喷涂工艺，可以实现在热熔胶网膜表面形成石墨烯导电层，在热压成型过程中首先施加一定压力使石墨烯片层之间更加密实，有效降低石墨烯片层之间的接触电阻，再经过热处理聚氨酯基体发生熔融部分渗入到石墨烯导电层之间，进而保证了复合材料结构完整性。

Claims (5)

1.一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯粉和水性聚氨酯乳液在溶剂中充分混合均匀，得到石墨烯分散液；
步骤2：将步骤1得到的石墨烯分散液，刷涂在加热的聚氨酯热溶胶网膜表面，干燥后，即可得到石墨烯/聚氨酯网膜；聚氨酯热溶胶网膜加热的温度为70℃；
步骤3：将步骤2得到的石墨烯/聚氨酯网膜以石墨烯涂层面相互接触的方式对折，热压后即可得到所需复合材料；热压的温度为130℃，压力为2MPa；热压时预热10s，热压时间为1min，冷却时间为3min；复合材料中按质量百分比计：石墨烯40％～60％，聚氨酯40％～60％。
2.根据权利要求1所述的一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中水性聚氨酯乳液固含量为30％，溶剂为水。
3.根据权利要求1所述的一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中采用旋涡振荡器进行混合。
4.根据权利要求1所述的一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中石墨烯和水性聚氨酯乳液的质量比为9:1。
5.根据权利要求1所述的一种高导电石墨烯/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中聚氨酯热熔胶网膜面密度为25g/m2。
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