大面积石墨烯的复合材料的制作方法

本发明涉及一种复合材料，尤指一种利用大面积石墨烯掺合的复合材料。

背景技术：

石墨烯为一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型蜂巢状晶格的平面薄膜，为目前世界上最薄也是最坚硬的奈米材料。由于石墨烯的电阻率低，且几乎是透明的，被期待用于发展更薄、导电速度更快的电子元件以应用在诸如半导体、面板、或是电池等领域中。

即使有许多期待，国际大厂也已竞相投入石墨烯研究并积极布局，但现阶段石墨烯技术还未能被大量应用，显见目前还有许多技术上问题存在：无论是在石墨烯本身、或在配方上进行改良，以令石墨烯应用于复合材料时有更佳的效果。

技术实现要素：

为了达成上述目的，本发明的一态样提供一种大面积石墨烯的复合材料，包括：一基质；一大面积石墨烯，分散于该基质中，该大面积石墨烯的层数小于20层且具有一la介于1μm至1000μm之间的直径，该la为一由拉曼光谱所获得的值。

本发明并提供一种大面积石墨烯的复合材料的制备方法，其通过复合具有面积大且较完美的石墨烯平面的石墨烯，以显著的提升该复合材料的物化性质。该大面积石墨烯的复合材料的制备方法包括：提供一高度石墨化的石墨片分散至一溶剂以形成一溶液；利用一分散剂或一超音波震荡法使该高度石墨化的石墨片于该溶液中分散为一大面积石墨烯，其中该大面积石墨烯的层数小于20层且具有一la介于1μm至1000μm之间的直径，该la为一由拉曼光谱所获得的值；以及将该溶液与一基质混合以形成一复合材料。

习知技术中的石墨烯复合材料是将石墨烯以多层方式堆栈，但由于石墨烯层间仅具有凡得瓦力(vanderwaals'forces)的弱键力，故石墨烯以多层方式堆栈时，实际上反而容易使得该复合材料中的石墨烯层成为缺陷，而本发明中的复合材料通过选用上述由高度石墨化的石墨片所制备的大面积石墨烯，沿着底面尺寸方向(la)延伸而非将该石墨烯层堆栈，因而有效地减少复合于该复合材料所需的石墨烯含量，减少该复合材料缺陷发生机率。

附图说明

图1为本发明将高度石墨化的石墨烯分散形成石墨烯层的示意图；

图2为本发明复合材料的第一实施例与比较例的拉伸强度图；

其中，10、复合材料；101、大面积石墨烯；102、基质。

具体实施方式

于下文中，将搭配图式详细说明本发明。

请参考图1，为一种大面积石墨烯的复合材料10，其特征在于包括：一基质102；一大面积石墨烯101，分散于该基质102中，该大面积石墨烯101的层数小于20层且具有一la介于1μm至1000μm之间的直径，该la为一由拉曼光谱所获得的值。

于本实施例中，该大面积石墨烯的层数介于1至20层之间，较佳为1至10层，更佳为1至5层，而最佳为单层的大面积石墨烯。

大面积石墨烯的复合材料的制备方法，其通过复合具有面积大且较完美的石墨烯平面的石墨烯，以显著的提升该复合材料的物化性质。该大面积石墨烯的复合材料的制备方法包括：提供一高度石墨化的石墨片分散至一溶剂以形成一溶液；利用一分散剂或一超音波震荡法使该高度石墨化的石墨片于该溶液中分散为一大面积石墨烯，其中该大面积石墨烯的层数小于20层且具有一la介于1μm至1000μm之间的直径，该la为一由拉曼光谱所获得的值；以及将该溶液与一基质混合以形成一复合材料。为使该复合材料具有较好的机械强度，本发明中较佳选用具完美六角晶体的片状结构石墨烯，该高度石墨化的石墨片为一溶碳析出法所制得的产物且具有0.8至1.0，较佳为0.9至1.0，更佳为1.0的石墨化程度，且由该高度石墨化的石墨片分散而得的大面积石墨烯，其单一层的厚度介于0.3奈米至1.5奈米之间。

上述“石墨化程度”意指石墨的比例。石墨烯平面(grapheneplane)间距离的理论值为3.354埃(angstrom)，因此当石墨化程度为1时，是指石墨烯堆栈最为紧密，其石墨平面间距(d(0002))为3.354埃。石墨化程度(g)可由下列式1计算：

式1g＝(3.440-d(0002))/(3.440-3.354)

据此，较高的石墨化程度对应于较大的结晶尺寸，是通过石墨烯的六角晶体平面结构的底面方向尺寸(la)以及堆栈层(lc)的尺寸所决定。因此，一般而言，高度石墨化是指石墨化程度大于或等于0.8。

当选用上述的由高度石墨化的石墨片分散而得的大面积石墨烯时，其复合于该复合材料所需的含量即可较佳地减少，如本发明一态样中，该大面积石墨烯的含量可占该复合材料总重量的0.01wt％至20wt％，较佳则为0.01wt％至10wt％。

于本发明中，该大面积石墨烯可根据所需与各种材料的基质复合，如本发明的一态样中，该基质可为至少一选自由塑胶、橡胶、人造纤维、天然纤维、陶瓷材料、金属材料、或其组合所组成的群组，但本发明并不以此为限。再者，为了更提高该复合材料的机械特性，该复合材料更可包括一添加剂，该添加剂可至少一选自由有机材料、金属材料、陶瓷材料、或其组合所组成的群组；于本发明的一态样中，可选用一有机交联剂，以增强该些石墨烯与基质间的结合力。于本发明中，作为基质的塑胶种类并不受限，可为热塑型塑胶，如聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯乙烯醇共聚物及其类似物；橡胶的种类亦不受限，例如可为天然橡胶、硫化橡胶或合成橡胶。

除了上述以添加剂的方式增强两者间的结合力外，更可通过一热处理或一化学处理以提高该大面积石墨烯与该基质间的亲和力。于本发明的一态样中，该大面积石墨烯可先经空烧法处理，以增加该石墨烯层的表面粗糙度，提高其与基质间的亲和力；而于本发明的另一态样中，则可以热氧化法、化学氧化法或化学掺杂法处理该大面积石墨烯。具体来说，经热氧化法或化学氧化法处理的该大面积石墨烯，其于六角晶体平面结构上可产生c＝o、cooh、-oh或c-o-c的含氧官能基；而经化学掺杂法处理的该大面积石墨烯，其六角晶体平面结构中的部分碳原子则被iiia族或va族元素取代。上述处理均可使该大面积石墨烯表面具有官能基，进而提高其与基质间的基质间的结合强度及兼容性。

上述所制备的复合材料，依据所选用的基质、添加剂的不同，可应用于压力感测器、表面声波滤波器、共振器、散热膏、印刷电路板、导电胶、透明电极、uv雷射、发光二极管、液晶显示器、太阳能电池、晶体管、电容器、dna芯片、或其组合，本发明并不局限于此。

补充说明的是，在本文中“底面方向尺寸(la,basedplane)”是指由单一原子层构成的石墨烯六角晶体平面结构的尺寸；“平面间距(d(0002))”是指单层石墨烯层堆栈的方向，其中，间距是指单一原子层构成的石墨烯六角晶体平面间的距离。

关于本发明复合材料的制备方法，首先，提供一高度石墨化的石墨片分散至一溶剂以形成一溶液；利用一分散剂或一超音波震荡法使该高度石墨化的石墨烯于该溶液中分散为一大面积石墨烯，其中该大面积石墨烯的层数小于20层且具有一la介于1μm至1000μm之间的直径，该la是为一由拉曼光谱所获得的值；以及将该溶液与一基质混合以形成一复合材料。

以下将进一步通过实施例说明，然该实施例仅为方便说明而作，并非意图限制本发明。

第一实施例

于本发明第一实施例中，是选用一天然橡胶作为一基质，并将该大面积石墨烯溶于乙酸乙脂中，充分混合以制成一溶液，其中，该高度石墨化的大面积石墨烯与该天然橡胶的重量比为1：99。待上述步骤完成后，可直接将该天然橡胶进行硫化并干燥形成一含复数个大面积石墨烯的复合材料。

第二实施例

于本发明的第二实施例中，其制备流程与第一实施例大致相同，所不同处在于由于基质为一聚乙烯丙烯酸共聚物。因此，此实施例所使用的该大面积石墨烯经过一热氧化处理使其表面具有环氧基(-c-o-c-)以提高该大面积石墨烯与基质间的亲和力。接着，当该些含环氧基的该大面积石墨烯与聚乙烯丙烯酸共聚物所组成的基质混合时，即可通过基质的羧基(-cooh)与该大面积石墨烯的环氧基(-c-o-c-)形成共价键以提高两者间的亲和力，进而提升该复合材料的机械强度；据此，本实施例即制备完成一复合材料，其中，该大面积石墨烯与聚乙烯丙烯酸共聚物所组成的基质间是经由环氧基与羧基形成共价键结以更进一步提升该复合材料的机械强度。

第三实施例

本发明第三实施例的制备流程与第一实施例大致相同，所不同处在于由于基质为一聚乙烯醇，以及该大面积石墨烯是经一化学氧化处理使其表面产生羟基(-oh)，是以，此实施例是以一二环氧辛烷作为一交联剂，并使该些含羟基的大面积石墨烯与该聚乙烯醇所组成的基质结合，进而提升该复合材料的机械强度；据此，本实施例即制备完成一复合材料，其中，该大面积石墨烯与该基质间是经由该交联剂以交联该大面积石墨烯与由聚乙烯醇所组成的基质，并更进一步提升该复合材料的机械强度。

比较例

本发明比较例的组成内容与制备流程是与本发明第一实施例大致相同，所不同处在于比较例所使用的石墨烯未经分散步骤；是以，于比较例的复合材料中，该些未经分散的高度石墨化的石墨片为一堆栈结构并分散于硫化橡胶所组成的基质中。

图2为本发明复合材料的第一实施例与比较例的拉伸强度图，其中通过控制于分散该高度石墨化大面积石墨烯时所添加的分散剂含量及/或超音波震荡处理时间，调整该石墨烯分层及于基质中的分散状况。如图2所示，当该大面积石墨烯的层数越少，即该大面积石墨烯间距越大，于相同含量下，所制备的复合材料的拉伸强度越高。再者，即使该大面积石墨烯堆栈层数相同，该大面积石墨烯于基质中分散得越均匀时，所制备的复合材料的拉伸强度亦较高。是以，经由上述本发明的方法所制备的复合材料可使用较低比例的大面积石墨烯即可获得较佳的机械强度。

上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。