[发明专利]石墨烯碳纳米管杂化的聚合物复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种导电性石墨烯碳纳米管杂化的聚合物复合材料以及其制造方法，该石墨烯碳纳米管杂化的聚合物复合材料可以作为抗静电以及电磁屏蔽材料，制作成导电地毯、电子产品的包装、手机的部件、轮胎用抗静电胎面胶以及航空航天器材的电磁屏蔽涂料等。

背景技术

自从1991年Iijima发现碳纳米管以及2004年Andre Geim和Kostya Novoselov首次制备出石墨烯以来，这两种碳纳米材料就受到广泛地重视，因为这两者都具有非常突出的物理性质，有望通过对聚合物改性，赋予聚合物更好的性能。但是碳纳米管的应用一直存在两个重要的问题没有解决，一个是碳纳米管的分散，因为它非常容易团聚，另一个问题就是高成本。石墨烯的出现似乎为解决这两个难题提供了答案。石墨烯与碳纳米管的化学结构相似，但是石墨烯是二维的平面结构，而碳纳米管是一维的线性结构，正是这两者形态的不同导致了两者独特的性质。天然石墨的大量贮存，使得大量的廉价的石墨烯的制备成为可能。而我们的研究发现，当碳纳米管和石墨烯共同添加于聚合物中时，碳纳米管团聚的倾向也大大减轻。因而石墨烯与碳纳米管杂化成为有效分散碳纳米管的简单易行的方法。

该发明将石墨烯和碳纳米管共同添加于聚合物基体中，形成导电并且具有高强度的石墨烯碳纳米管杂化的聚合物纳米复合材料，作为抗静电以及电磁屏蔽材料，制作成导电地毯、电子产品的包装、手机的部件、轮胎用抗静电胎面胶以及航空航天器材的电磁屏蔽涂料等。

发明内容

为了实现上述目的，根据权利要求书1所述的本发明，采用不同氧化程度的石墨烯和碳纳米管为导电和增强材料，添加到聚合物中，制备石墨烯含量为0.1-90wt％，碳纳米管含量为0.1-90wt％，石墨烯和碳纳米管的总量为0.1-90wt％的石墨烯碳纳米管杂化的聚合物复合材料，该材料具有高的导电性和力学性能，可以用于抗静电以及电磁屏蔽材料，制作成导电地毯、电子产品的包装、手机的部件、轮胎用抗静电胎面胶以及航空航天器材的电磁屏蔽涂料等。

本发明的一个目的是提供一种基于石墨烯和碳纳米管杂化材料共同改性的聚合物复合材料，提高复合材料的导电性。

本发明的另一个目的是提供一种基于石墨烯和碳纳米管杂化的共同改性的聚合物复合材料，在提高导电性的同时，也能提高材料的机械性能(强度，硬度等)和热稳定性。

本发明所使用的制备石墨烯碳纳米管杂化聚合物复合材料的方法，可以采用溶液法，也可以采用机械法实现石墨烯碳纳米管和聚合物的复合。

本发明与现有技术相比，其显著的优点为：(1)利用石墨烯在聚合物中的良好分散性，辅助碳纳米管在聚合物中的分散，方法简单易行，避免了复杂的分散工作。(2)制备方法上，利用溶液共混或者机械共混方法制备，简单易行，可以很好地实现石墨烯和碳纳米管在聚合物复合材料中的分散。(3)所制备的石墨烯碳纳米管聚合物复合材料不但具有良好的导电性而且具有较高的力学性能。

附图说明

图1是碳纳米管在硅橡胶中的扫面电子显微镜图，说明碳纳米管在硅橡胶中很容易团聚，不容易分散。

图2是石墨烯和碳纳米共同分散在硅橡胶中的扫面电子显微镜图，说明碳纳米管在石墨烯的辅助下很好地分散在硅橡胶中，没有形成团聚。

图3是石墨烯/碳纳米管/顺丁橡胶复合材料中，当石墨烯的用量为1份，顺丁橡胶的用量为100份，体系的体积电阻率随着碳纳米管用量的增加而下降。

图4是碳纳米管单独添加到顺丁橡胶中时，用量与体积电阻率的关系，说明，石墨烯和碳纳米管共同添加到顺丁橡胶中时，碳纳米管的用量减少就可以达到相同的导电效果，从另一个侧面说明碳纳米管与石墨烯杂化是在聚合物基体中的分散性要好于碳纳米管单独分散到聚合物基体中。

具体实施方案

本发明用石墨烯和碳纳米管共同改性聚合物，获得石墨烯碳纳米管聚合物复合材料，具有高的导电性和力学性能。下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例1：

以顺丁橡胶为例。将石墨烯、碳纳米管和顺丁橡胶按照重量比例1∶9∶100在密炼机中密炼10min，获得的复合材料在160℃，硫化10min，得到石墨烯/碳纳米管/顺丁橡胶复合材料。该材料的体积体积电阻率为7×10⁶Ω·cm，拉伸强度为3MPa，撕裂强度18KN/m。

实施例2：

以硅橡胶为例。硅橡胶100g溶于500ml的四氢呋喃(THF)中，石墨烯和碳纳米管按照1∶2的重量比例，总重量3g通过超声分散于100ml THF中，然后将两种分散液混合均匀，在空气以及真空烘箱中除去过量的THF。获得的复合材料在160℃，硫化10min，得到石墨烯/碳纳米管/硅橡胶复合材料。该材料的体积电阻率为4.9×10⁹Ω·cm，拉伸强度为1MPa。