一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料及其制备方法与流程

本发明属于纳米多孔材料——碳气凝胶技术领域，同时也属于先进功能复合材料领域，具体涉及一种高性能碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料及其制备方法，所制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料可用作导电的高强度复合材料领域。

背景技术：

具有较高导电聚合物基材料在电子设备、传感器、执行器和电磁屏蔽等领域具有广泛的应用。石墨烯具有二维、共轭蜂窝网状结构，显示了很多独特的性能，如巨大的电子迁移率、高导热性、良好的机械性能以及大的比表面积等。石墨烯最有应用前途之一是作为填充材料添加到聚合物基体中制成复合材料，聚合物本身具有较低的负载，因此，石墨烯能明显提高聚合物的电性能，这一特点备受关注。然而，由于石墨烯易聚集，且在石墨烯片层之间产生较高的接触电阻，因此，复合材料的性能增强是有限的，而且远远低于预期，要发展高导电石墨烯/聚合物复合材料仍具有巨大的挑战性。

为了提高石墨烯在聚合中的导电性，首先要解决其在聚合物中的分散性。石墨烯气凝胶具有三维网络结构、高比表面和较低密度的多孔纳米材料，在聚合物基体中三维互联石墨烯网络结构为高导电石墨烯复合材料提供了一个新的策略。将石墨烯与其它材料复合制备成气凝胶的研究和发明专利相继报道，制备的复合气凝胶应用于多个领域。cn104558998a公开了一种石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶的制备方法，其方法是将石墨烯与聚酰亚胺混合冷冻干燥得到的气凝胶再进行高温碳化制备了石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶，主要用作催化载体、储氢材料级超级电容的电极材料等。王学宝等(石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料的制备及导电性能，复合材料学报，2013,30(6)：1-6)研究了以氧化石墨烯为前驱体，通过溶胶-凝胶法制备了石墨烯气凝胶，然后通过超声混合的方式将石墨烯气凝胶与环氧树脂复合，制备石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料。zengfan等(advancedmultifunctionalgraphemeaerogel-poly(methylmethacrylate)composites:experimentsandmodeling,carbon,2015,81:396-404)通过将聚酯(甲基丙烯酸甲脂)回填到石墨烯气凝胶的孔中制备了石墨烯气凝胶/聚酯(甲基丙烯酸甲脂)复合材料，在聚酯(甲基丙烯酸甲脂)基体中均匀分布多层还原氧化石墨烯片。

上述发明专利及文献中均公开了石墨烯与聚合物复合制备气凝胶和复合材料的制备方法，但目前将碳纳米管/石墨烯气凝胶与聚合物复合制备成复合材料的方法还鲜见报道。在氧化石墨烯中加入碳纳米管粉末进行气凝胶，对其稳定的结构起到一定的支撑作用，从而削弱氧化石墨烯的团聚效应，以得到更大的比表面积；对氧化石墨烯通过还原得到还原氧化石墨烯，具有和原始石墨相似的性质，即具有极好的导电性和力学性能，通过以上方式能够很好地解决石墨烯很难在物质中均匀分散来发挥其性能的难题。另外，碳纳米管的加入，还能够提高复合材料的强度。

本发明旨在选用合适的热固性聚合物材料，利用还原氧化石墨烯和碳纳米管制成的气凝胶作为骨架材料，将聚合物填充到气凝胶的三维网络的孔隙中并在真空条件下固化，从而制备出具有良好导电性以及高强度高模量的功能复合材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制备过程简单、环保、成本较低的气凝胶及其与苯乙烯复合的方法；与其他同类材料相比，采用本方法所制备的复合材料除具有较好的导电性能外，还具有更高的强度和模量。

本发明采用的技术方案如下：

一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、碳纳米管/石墨烯气凝胶的制备

s1-1、采用改进的hummers方法制备氧化石墨烯悬浮液；

s1-2、分别称取碳纳米管和步骤s1-1制备的氧化石墨烯悬浮液置于容器中，超声分散3～4h，使得碳纳米管和氧化石墨烯分散均匀，得分散液；

s1-3、向s1-2制备得到的分散液中加入还原剂抗坏血酸，搅拌均匀，在65～90℃下密封6～8h，得到碳纳米管/石墨烯水凝胶；

s1-4、将上述水凝胶先置于去离子水中浸泡2～3天，再用无水乙醇浸泡2～3天,然后分装到称量瓶中并置于冰箱中预冷冻11～13h，将预冷冻好的凝胶放在冷冻干燥机中冷冻干燥36～60h得到碳纳米管/石墨烯气凝胶；

s2、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备

s2-1、将苯乙烯单体和偶氮二异丁氰引发剂混合并搅拌均匀，得预聚体混合液；

s2-2、将步骤s2-1制备的预聚体混合液滴加到步骤s1制备的气凝胶中，通过真空辅助浸渍的方式，使气凝胶的空隙全部被上述混合物填满；

s2-3、对填好预聚体混合液的气凝胶升温，使碳纳米管/石墨烯气凝胶与苯乙烯单体进行原位聚合反应，反应后即可得到碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料；

s3、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的热处理

将步骤s2制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料放入模具中，加热到聚苯乙烯的玻璃化转变温度，然后加压，压缩复合材料高度的10％，自然冷却到室温。

所述步骤s1-1中氧化石墨烯悬浮液的浓度为8～16mg/ml。

所述碳纳米管为经氧化改性使其表面具有4～6％的羧基和6～8％的羟基官能团的碳纳米管(所述碳纳米管中羧基和羟基的百分比是以氧化后的碳纳米管为基数的质量百分比，例如，氧化后的碳纳米管为100g，其含有4～6g的羧基和6～8g的羟基官能团)。

所述步骤s1-2中碳纳米管与氧化石墨烯的质量配比为(0～1):(1～0)。

所述步骤s1-2中应先把称取好的碳纳米管在水中超声分散30～50min，然后再和氧化石墨烯悬浮液混合。

所述步骤s1-3中抗坏血酸的质量为氧化石墨烯质量的3.5-4.5倍。

所述步骤s2中加入的苯乙烯单体和偶氮二异丁氰的量需要把碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶淹没，加入的苯乙烯单体、偶氮二异丁氰的质量配比为20：(0.04～0.07)。

所述步骤s2-3中聚合反应的反应温度为80～100℃、反应时间为24～48h。

所述步骤s3中加热温度为90～100℃、加压为10～20mpa。

所述步骤s2-3中聚合反应的反应温度为80～100℃、反应时间为24～48h。

所述步骤s3中加热温度为90～100℃、加压压力为10～20mpa。

一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明所制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶由一定比例的氧化石墨烯、自制的改性碳纳米管和抗坏血酸均匀混合在一起，通过水热反应以及冷冻干燥的方法制备而成。碳纳米管的加入增强了气凝胶的力学性能，使得石墨烯片层搭建更加稳定，在填充聚合物时，气凝胶不容易塌陷，同时提高了聚合物的填充率。对其稳定的结构起到一定的支撑作用，从而削弱了氧化石墨烯的团聚效应，以得到更大的比表面积。加入的碳纳米管为经氧化改性的碳纳米管，经过改性的碳纳米管表面具有大量的羧基和羟基官能团，复合时能与氧化石墨烯和聚苯乙烯中的官能团反应，结合更加牢固，增加了复合材料的力学性能。

(2)对氧化石墨烯通过还原得到还原氧化石墨烯，具有和原始石墨相似的性质，即具有极好的导电性和力学性能，通过以上方式能够很好地解决石墨烯很难在物质中均匀分散来发挥其性能的难题。

(3)本发明的复合材料骨架是碳纳米管/石墨烯气凝胶，本身具有介孔、微孔和大孔三级三维网络孔洞结构以及较好的导电性、较高的强度、高的比表面积，与聚苯乙烯复合以后得到的复合材料比纯苯乙烯具有更高的强度，当碳纳米管的含量为30％时为最佳，此时复合材料的电导率为2.1375s/m，显微硬度为纯聚苯乙烯的2.5倍。可用作具有良好导电性高的强度材料领域。

(4)本发明中苯乙烯与偶氮二异丁氰(aibn)按质量比20：0.04～0.07加入，没有经过预聚，直接在气凝胶中原位聚合，避免了预聚过程中气泡的形成。

(5)本发明在制备出复合材料后，为了排除复合材料内由于气凝胶的闭孔现象而产生的微孔，对其进行热处理，热处理后的复合材料可以屏蔽少量的闭孔现象，使得复合材料具有更高的密度、显微硬度和压缩模量。

(6)本发明的制备过程简单、环保，易于操作，对设备和操作人员要求不高，是一种比较环保化学制备方法。

附图说明

图1为碳纳米管/石墨烯气凝胶和碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的扫描电镜图；

图2为碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的电导率随碳纳米管在气凝胶中的含量的变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。

实施例1：

本实施例所述碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s0、采用改进的hummers方法制备氧化石墨烯悬浮液

s0-1、按要求称取石墨8g、硝酸钠3.5g，混入装有360ml浓度为98％的浓硫酸的三口烧瓶中，在冰浴中机械搅拌1h，然后加入高锰酸钾20g，在冰浴中继续搅拌2h，把水浴温度升到30℃，持续搅拌14小时，分两次缓慢加入去离子水1040ml，最后加入50ml体积浓度为30％的过氧化氢溶液，反应30min，最后在频率为40khz的超声下超声剥离30min，得到氧化石墨烯混合物；

s0-2、将浓度为1.5mol/l的盐酸溶液加入到氧化石墨烯混合物中，在9000r/min下离心30min，然后再用去离子水洗涤，直至离心后的上清液为中性，最后将下层沉淀的氧化石墨烯配置成浓度为16mg/ml的氧化石墨烯悬浮液；

s1、碳纳米管/石墨烯气凝胶的制备

s1-1、按质量配比为0.5:1分别称取碳纳米管0.12g和量取步骤s0制备的氧化石墨烯悬浮液15ml，首先把称取好的碳纳米管放置在含有水中去离子水的烧杯中超声分散30min，然后再和氧化石墨烯悬浮液混合，超声分散3h，使得碳纳米管和氧化石墨烯分散均匀，超声分散的超声频率为30khz；所选取的碳纳米管为经表面氧化改性的碳纳米管，其表面具有质量比为4～6％的羧基和6～8％的羟基官能团，复合时能与氧化石墨烯和苯乙烯的官能团反应，结合更加牢固，增加了复合材料的力学性能。

s1-2、称取抗坏血酸0.96g，置于上述分散好的混合液中，搅拌均匀，在90℃下密封7h，得到碳纳米管/石墨烯水凝胶；

s1-3、将上述水凝胶先置于去离子水中浸泡3天，再用无水乙醇浸泡3天达到溶剂置换的目的,然后分装到称量瓶中并置于冰箱中预冷冻12h，将冷冻好的凝胶放在冷冻干燥机中冷冻干燥48h得到碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶；

s2、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备

s2-1、称取苯乙烯单体20g、偶氮二异丁氰引发剂0.07g，倒入烧杯中混合并搅拌均匀；

s2-2、将步骤s2-1混合好的单体和引发剂混合物滴加到步骤s1制备的气凝胶中并把气凝胶淹没，通过真空辅助浸渍的方式将其放在真空装置中，在-100kpa压力下，使上述混合物完全浸入到气凝胶的微孔中；

s2-3、将填好苯乙烯单体的气凝胶在80～100℃下进行原位聚合反应24h，得到碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料。

s3、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的热处理

为了排除复合材料内由于气凝胶的闭孔现象而产生极少数的微孔，将步骤s2制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料放入模具中，加热到聚苯乙烯的玻璃化转变温度(90～100℃)，然后施加10mpa压力，压缩复合材料高度的10％，自然冷却到室温，即得所需碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料。

为了表征所获得的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料微观结构，采用扫描电子显微镜对其进行了微观形貌分析，如图1所示，图1(a)为碳纳米管/石墨烯气凝胶的扫描电镜图，图1(b)为碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的扫描电镜图。结果表明，未填充苯乙烯的碳纳米管/石墨烯气凝胶呈现三维网络结构，片层之间稳定搭接，具有一定的力学性能；而在填充了聚苯乙烯后，聚苯乙烯完全浸入到碳纳米管/石墨烯气凝胶的孔隙中，填充较为均匀，没有明显的微孔存在。

图2为碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的电导率随着碳纳米管在气凝胶中的含量的变化，从图中可知，随着碳纳米管含量的增加，复合材料的电导率随着增加(本发明测试的是复合材料的体积电阻)，但当碳纳米管的含量超过30％时，复合材料的电导率增加不明显。通过变量实验可以确定，当碳纳米管的含量为30％时为最佳。

表1聚苯乙烯、石墨烯气凝胶/聚苯乙烯和碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯性能比较表

表1为聚苯乙烯、石墨烯气凝胶/聚苯乙烯和碳纳米管/石墨烯/聚苯乙烯性能的比较，从表中可以看出，添加碳纳米管的复合材料，其导电性和力学性能明显比不添加碳纳米管的复合材料提高，聚合物的填充率相对增加。随着碳纳米管含量的增加，复合材料的显微硬度也随着增加，但当碳纳米管的含量超过30％时，复合材料的显微硬度增加不明显。通过变量可以确定，当碳纳米管的含量为30％时为最佳，此时复合材料的电导率为2.1375s/m，显微硬度为纯聚苯乙烯的2.5倍。

实施例2：

本实施例所述碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s0、采用改进的hummers方法制备氧化石墨烯悬浮液

s0-1、按要求称取石墨4g、硝酸钠1.9g，混入装有180ml浓度为98％的浓硫酸的三口烧瓶中，在冰浴中机械搅拌1h，然后加入高锰酸钾11g，在冰浴中继续搅拌2h，把水浴温度升到25℃，持续搅拌10小时，分两次缓慢加入去离子水540ml，最后加入20ml体积浓度为30％的过氧化氢溶液，反应60min，最后在频率为40khz的超声下超声剥离30min，得到氧化石墨烯混合物；

s0-2、将浓度为1.6mol/l的盐酸溶液加入到氧化石墨烯混合物中，在9000r/min下离心15min，然后再用去离子水洗涤，直至离心后的上清液为中性，最后将下层沉淀的氧化石墨烯配置成浓度为8mg/ml的氧化石墨烯悬浮液；

s1、碳纳米管/石墨烯气凝胶的制备

s1-1、按质量配比为1:0.5分别称取碳纳米管0.24g和量取步骤s0制备的氧化石墨烯悬浮液15ml，首先把称取好的碳纳米管放置在含有水中去离子水的烧杯中超声分散50min，然后再和氧化石墨烯悬浮液混合，超声分散4h，使得碳纳米管和氧化石墨烯分散均匀，超声分散的超声频率为35khz；所选取的碳纳米管为经表面氧化改性的碳纳米管，其表面具有质量比为4～6％的羧基和6～8％的羟基官能团，复合时能与氧化石墨烯和苯乙烯的官能团反应，结合更加牢固，增加了复合材料的力学性能。

s1-2、称取抗坏血酸0.48g，置于上述分散好的混合液中，搅拌均匀，在65℃下密封8h，得到碳纳米管/石墨烯水凝胶；

s1-3、将上述水凝胶先置于去离子水中浸泡2天，再用无水乙醇浸泡2天达到溶剂置换的目的,然后分装到称量瓶中并置于冰箱中预冷冻12h，将冷冻好的凝胶放在冷冻干燥机中冷冻干燥36h得到碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶；

s2、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备

s2-1、称取苯乙烯单体20g、偶氮二异丁氰引发剂0.04g，倒入烧杯中混合并搅拌均匀；

s2-2、将步骤s2-1混合好的单体和引发剂混合物滴加到步骤s1制备的气凝胶中并把气凝胶淹没，通过真空辅助浸渍的方式将其放在真空装置中，在-100kpa压力下，使上述混合物完全浸入到气凝胶的微孔中；

s2-3、将填好苯乙烯单体的气凝胶在80～100℃下进行原位聚合反应36h，得到碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料。

s3、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的热处理

为了排除复合材料内由于气凝胶的闭孔现象而产生极少数的微孔，将步骤s2制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料放入模具中，加热到聚苯乙烯的玻璃化转变温度(90～100℃)，然后施加20mpa压力，压缩复合材料高度的10％，自然冷却到室温，即得所需碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料。

实施例3：

本实施例所述碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s0、采用改进的hummers方法制备氧化石墨烯悬浮液

s0-1、按要求称取石墨8g、硝酸钠4g，混入装有350ml浓度为98％的浓硫酸的三口烧瓶中，在冰浴中机械搅拌0.5h，然后加入高锰酸钾24g，在冰浴中继续搅拌2h，把水浴温度升到25℃，持续搅拌12小时，分两次缓慢加入去离子水1080ml，最后加入50ml体积浓度为30％的过氧化氢溶液，反应30min，最后在频率为30khz的超声下超声剥离30min，得到氧化石墨烯混合物；

s0-2、将浓度为1.7mol/l的盐酸溶液加入到氧化石墨烯混合物中，在9000r/min下离心30min，然后再用去离子水洗涤，直至离心后的上清液为中性，最后将下层沉淀的氧化石墨烯配置成浓度为8mg/ml的氧化石墨烯悬浮液；

s1、碳纳米管/石墨烯气凝胶的制备

s1-1、按质量配比为0.5:1分别称取碳纳米管0.12g和量取步骤s0制备的氧化石墨烯悬浮液30ml，首先把称取好的碳纳米管放置在含有水中去离子水的烧杯中超声分散50min，然后再和氧化石墨烯悬浮液混合，超声分散5h，使得碳纳米管和氧化石墨烯分散均匀，超声分散的超声频率为40khz；所选取的碳纳米管为经表面氧化改性的碳纳米管，其表面具有质量比为4～6％的羧基和6～8％的羟基官能团，复合时能与氧化石墨烯和苯乙烯的官能团反应，结合更加牢固，增加了复合材料的力学性能。

s1-2、称取抗坏血酸0.84g，置于上述分散好的混合液中，搅拌均匀，在80℃下密封6h，得到碳纳米管/石墨烯水凝胶；

s1-3、将上述水凝胶先置于去离子水中浸泡3天，再用无水乙醇浸泡2天达到溶剂置换的目的,然后分装到称量瓶中并置于冰箱中预冷冻12h，将冷冻好的凝胶放在冷冻干燥机中冷冻干燥48h得到碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶；

s2、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备

s2-1、称取苯乙烯单体20g、偶氮二异丁氰引发剂0.06g，倒入烧杯中混合并搅拌均匀；

s2-2、将步骤s2-1混合好的单体和引发剂混合物滴加到步骤s1制备的气凝胶中并把气凝胶淹没，通过真空辅助浸渍的方式将其放在真空装置中，在-100kpa压力下，使上述混合物完全浸入到气凝胶的微孔中；

s2-3、将填好苯乙烯单体的气凝胶在80～100℃下进行原位聚合反应24h，得到碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料。

s3、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的热处理

为了排除复合材料内由于气凝胶的闭孔现象而产生极少数的微孔，将步骤s2制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料放入模具中，加热到聚苯乙烯的玻璃化转变温度(90～100℃)，然后施加15mpa压力，压缩复合材料高度的10％，自然冷却到室温，即得所需碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。