[发明专利]一种聚烯烃/石墨烯纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物加工技术领域和纳米技术领域，尤其涉及一种聚烯烃/石墨烯纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子采用SP²杂化堆积而成的蜂巢状晶体点阵，是典型的二维纳米材料，其厚度仅为 0.35nm。这种特殊结构使石墨烯表现出优异的力学性能、奇特的电学性质和良好的热学性质，例如石墨烯杨氏模量可达 11000GPa，断裂强度达 125GPa，热导率达5000W/m·K，理论比表面积高达2630m²/g，而且具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应和超高的电导率等性质，在航空航天、新材料、电力、电子等领域具有良好的应用前景。

在石墨烯的实际应用研究中，聚合物/石墨烯纳米复合材料被认为是最具有应用前景的方向之一，研究发现，当以石墨烯为纳米添加剂，添加量较低时，聚合物的性能即可大幅增强。而在日常生活中，聚烯烃塑料由于容易加工、耐腐蚀、价格低廉、质轻、综合性能优越等优点而被广泛使用，因此开发聚烯烃/石墨烯纳米复合材料具有重大的理论和现实意义。然而，石墨烯比表面积巨大且片层之间存在固有的范德华力，因而石墨烯极易团聚。众所周知，聚烯烃是非极性高聚物，和石墨烯相容性差，造成石墨烯很难在聚烯烃中有效剥离，因此，石墨烯在聚烯烃基体中的均匀分散是制备聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的关键问题。

现有技术公开了多种制备性能良好的聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的方法。专利申请号201110313859.4公开了一种含石墨烯的增强材料组合物、增强材料耐磨材料及制法，在偶联剂溶液中通过超声分散处理对石墨烯进行表面改性，干燥后再与聚烯烃混匀，熔融共混得到聚合物复合材料，该制备方法简单，容易实施，但是偶联剂和基体只存在物理作用力，超声改性效率低下，改性效果不明显。专利申请号201010128271.7提供了一种石墨烯基阻隔复合材料及其制备方法，首先用偶联剂对氧化石墨烯的表面进行功能化修饰，再将修饰之后的氧化石墨烯还原成石墨烯，最后将经修饰的石墨烯均匀分散到聚烯烃溶液中，在引发剂的作用下交联键合，得到综合性能优良纳米复合材料，只是该专利中仅适用于带有不饱和双键的偶联剂，一般的偶联剂和基体无明显键合作用力，适用范围比较窄，并且制备过程中要用到大量的溶剂，污染环境。上述两篇专利都是通过加入偶联剂改善石墨烯和聚烯烃的相容性，石墨烯和基体界面作用力相对比较弱，石墨烯的分散性不好，影响其增强效果。

发明内容

本发明着眼于解决石墨烯与聚烯烃相容性差，熔融法制备时石墨烯难以分散，溶剂法制备时有机溶剂使用量大（环境污染严重）等问题，提供一种聚烯烃/石墨烯纳米复合材料及其制备方法。本发明通过对氧化石墨进行聚烯烃接枝的化学改性，改善其与聚烯烃基体的相容性，从而实现在聚烯烃基体中的均匀分散，得到综合性能良好的聚烯烃/石墨烯的纳米材料，并能够大规模生产。

本发明提供的一种聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）石墨烯的官能化修饰：将氧化石墨通过超声分散在溶剂中得到分散均匀的悬浮液；然后在搅拌下，加入含有二胺类化合物的乙醇溶液，在N₂保护下进行回流反应2-24h，反应温度为60-120℃；接着加入还原剂水溶液进行还原反应2-12h；最后冷却、抽滤，产物交替用去离子水和乙醇反复洗涤，得到的固体产物在50-80℃的真空烘箱中干燥，即得到表面官能化修饰的石墨烯；所述二胺类化合物的用量为氧化石墨重量的2-20倍；所述还原剂的用量为氧化石墨重量的2-11倍；

（2）聚烯烃接枝改性石墨烯的制备：将步骤（1）中制备的石墨烯超声分散在溶剂中，然后在搅拌下，加入石墨烯重量的2-10倍的马来酸酐接枝聚烯烃，于120-160℃的温度下通入N₂反应2-8h；最后抽滤，产物用乙醇洗涤，得到的固体产物在80-120℃的真空烘箱中干燥，即得到聚烯烃接枝改性石墨烯；

（3）聚烯烃/石墨烯纳米复合材料的制备：按重量份比为（1-10）：100，将步骤（2）制备的聚烯烃接枝石墨烯和聚烯烃混合，在密炼机中于160-230℃熔融共混5-30min，得到聚烯烃/石墨烯纳米复合材料。

所述步骤（1）中氧化石墨和溶剂的质量体积比为1g/200ml,还原剂水溶液的质量浓度为30-70％。

所述步骤（1）中二胺类化合物选自乙二胺、丙二胺、己二胺、邻苯二胺、间苯二胺、对苯二胺、二氨基二苯醚、二氨基二苯砜、二氨基二苯甲烷中的一种。

所述步骤（1）中的溶剂为甲醇、乙醇或丙醇。