一种运用高分子聚合方法复合石墨烯的纳米复合材料及其制备方法

文档序号:9591670阅读:520来源:国知局
一种运用高分子聚合方法复合石墨烯的纳米复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种将石墨烯烃表面修饰及功能化处理后,利用悬浮聚合的方法合成 的高性能复合材料。
【背景技术】
[0002] 石墨烯具有完美的二维晶体结构,它的晶格是由六个碳原子围成的六边形,厚度 为一个原子层。碳原子之间由σ键连接,结合方式为SP2杂化,这些〇键赋予了石墨烯极 其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强1〇〇倍,甚至还要超过钻石。 在石墨烯中,每个碳原子都有一个未成键的Ρ电子,这些Ρ电子可以在晶体中自由移动,且 运动速度高达光速的1/300,赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是新一代的透明导电材 料,在可见光区,四层石墨烯的透过率与传统的ΙΤ0薄膜相当,在其它波段,四层石墨烯的 透过率远远高于ΙΤ0薄膜。
[0003] 石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收 2. 3%的光;导热系数高达5300W/m·Κ,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迀移率超过 15000cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约1Ω·m,比铜或银更低,为世上电 阻率最小的材料。因其电阻率极低,电子迀移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导 电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适 合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
[0004] 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现,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。在石墨烯中,电子能够极为高效地迀移,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。由于电子和原子的碰撞,传统的半导体和导体用热的形式释放了一 些能量,2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了 72% -81%的电能,石墨烯则不同,它的 电子能量不会被损耗,这使它具有了非比寻常的优良特性。
[0005] 石墨烯独特的性能与其电子能带结构紧密相关。以独立碳原子为基,将周围碳原 子产生的势作为微扰,可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分布。在狄拉克点(Dirac Point)附近展开,可得能量与波矢呈线性关系(类似于光子的色散关系),且在狄拉克点出 现奇点(singularity)。这意味着在费米面附近,石墨稀中电子的有效质量为零,这也解释 了该材料独特的电学等性质。
[0006] 由于石墨烯上述非同寻常的热学、力学、电学、化学物理的突出性能以及极好的稳 定性,如何与现行高分子材料复合成为重要的课题。而目前尚未有能制备良好性能的石墨 烯纳米复合材料的方法。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的是提出一种运用高分子聚合方法复合石墨烯的纳米复合材料及其 制备方法,从而将石墨烯的超级优良物性与现有的高分子材料相互结合,形成高性能的复 合材料,呈现特殊价值。
[0008] 本发明的技术方案如下:
[0009] -种运用高分子聚合方法复合石墨烯的纳米复合材料的方法,其特征在于包括以 下步骤:
[0010] 活化石墨烯粉末,
[0011] 将活化后的石墨烯加入高分子化合物单体中,制备高分子化合物单体/石墨烯单 体溶液,
[0012] 在反应容器中加入聚合反应的反应物,所述反应物包括引发剂、所述高分子化合 物单体/石墨烯单体溶液,进行悬浮聚合反应。
[0013] 所述石墨烯优选为:少层、多层、寡层石墨烯;氧化石墨烯;和/或功能化石墨烯。
[0014] 所述高分子化合物优选为聚苯乙烯、聚乙烯醇或聚氯乙烯。
[0015] 用于活化的活化剂优选为占石墨烯质量的0. 5~5%的硅烷偶联剂:KH-550, KH-560,KH-570 ;和 / 或SDBS。
[0016] 所述活化后的石墨烯与高分子化合物的单体的质量比优选为3-10:100。
[0017] 所述引发剂优选为ΒΡ0或AIBN。
[0018] 所述反应物还可包括悬浮分散剂。
[0019] 所述悬浮分散剂优选包括天然物明胶、淀粉、聚乙烯醇、BaS04、BaC03、CaC03、滑石 粉粘土、NaCl,KC1 和 / 或Na2S04。
[0020] 所述反应物还可包括缓冲剂和/或消泡剂。
[0021 ] 根据上述方法制备的复合石墨烯的纳米复合材料。
[0022] 技术效果:
[0023] 本发明依据复合材料的改性需求条件而加以选择合适的石墨烯材料,并予以表面 处理,从而与高分子材料相容。
[0024] 上述复合高分子材料使用苯乙稀单体;MMA单体醋酸乙稀酯;PVC单体作为主要选 择对象,并选取了对石墨烯合适的表面活化剂,从而使得二者能够彼此相容形成单体溶液, 并在聚合过程中实现接枝结合。
[0025] 合成方法是采用悬浮聚合法,方法中除了单体外还含有引发剂,悬浮分散剂,介 质,置于反应釜中依不同升温曲线加温;搅拌速度变化,压力调控予以制造。
[0026] 利用悬浮聚合的技术将活化后的石墨烯与单体在聚合过程中结合,进而合成含有 石墨烯的复合材料,利用悬浮聚合的方法具有以下优点:
[0027]a.体系粘度低,聚合热容易导出,散热和温度控制比本体聚合、溶液聚合容易;
[0028] b.产品相对分子质量及分布比较稳定,聚合速率及相对分子质量比溶液聚合要高 一些,杂质含量比乳液聚合低;
[0029]c.后处理比溶液聚合和乳液聚合简单,生产成本较低,三废较少;
[0030] d.粒料树脂可直接用于加工。
[0031] 本发明开拓了 一种制备聚合物与石墨烯复合材料的方法,上述复合材料除了拥有 本质的优良物性以及悬浮聚合带来的稳定性质外,更藉由石墨烯的超级性能而得以大幅改 性。
【具体实施方式】
[0032] 为了更好的解释本发明,下面结合具体实施例对本发明进行进一步的解释。
[0033] 实施例1
[0034] 悬浮聚合法制备聚氯乙烯/石墨烯纳米复合材料
[0035] 1、工艺配方(质量份数)
[0036] 去离子水100氯乙烯50-70
[0037] 悬浮剂(聚乙烯醇)0· 5
[0038] 引发剂(过氧化二碳酸二异丙酯)0· 3
[0039] 缓冲剂(磷酸氢二钠)0· 1
[0040] 消泡剂(邻苯二甲酸二丁酯)0.002
[0041] 2、主要工艺参数
[0042] ①聚合
[0043] 聚合温度50-58°C(依PVC型号而定)
[0044] 聚合压力初始 0· 687_0·98lMPa结束 0· 294-0·l%MPa
[0045] 聚合时间8_12h
[0046] 转化率9〇%
[0047] ②碱处理
[0048] NaOH浓度 36% -42%
[0049] 加入量聚合浆液的0· 05% -0· 2%
[0050] 温度 70-80Γ
[0051] 时间 1.5-2.Oh
[0052] ③脱水
[0053] 紧密型树脂含水率8%-15%
[0054] 疏松型树脂含水率15%-20%
[0055] ④干燥
[0056] 第一段气流干燥管干燥
[0057]干燥温度 40-150°C
[0058]风速 15m/s
[0059] 物料停留时间1. 2s
[0060] 含水率〈4%
[0061] 第二段沸腾床干燥
[0062] 干燥温度120°C
[0063] 物料停留时间12min
[0064] 含水率〈0.3%
[0065] 下面是具体制备过程:
[0066] 1、氯乙烯/石墨烯单体复合溶液的配制:
[0067] ①取纳米石墨烯粉末与KH_550(粉末,占石墨烯1%质量比),在高速分散机中分 散,温度设定l〇〇°C,时间30mins。
[0068]②上述活化后的石墨烯,加入氯乙烯单体中(石墨烯质量为单体5% ),均匀搅拌。
[0069] ③以超声波160W,2450GHZ,辅助分散均匀。
[0070] 2、悬浮聚合的过程是先将去离子水用栗打入聚合釜中,启动搅拌器,依次将分散 剂溶液、引发剂及其他助剂加入聚合釜内。然后,对聚合釜进行试压,试压合格后用氮气置 换釜内空气。
[0071] 3、单体/石墨烯复合溶液单体由计量灌经过滤器加入聚合
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