[发明专利]一种石墨烯与聚合物导电复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种聚合物与石墨烯导电复合材料的制备方法。

背景技术

众所周知，在通常的聚合物基体导电复合材料中，往往要加入高填充量的导电填料才能实现复合材料的导电性。但是高填充量将导致复合材料的成本增加、加工性能变差、力学性能下降等诸多问题。因此用较少的导电填料获得较高的电导率一直是人们追求的目标。近年来具有分离结构的聚合物基导电复合材料的研究受到人们的广泛关注。在这种结构的复合材料中,导电填料被涂覆在聚合物粒子表面形成二维导电网络,从而使复合材料在较低的导电填料时获得较高的电导率。石墨烯具有很高的导电性。由于其具有很高的比表面，只需将少量的石墨烯掺入到绝缘的聚合物里就可使其变成导电复合材料。最近，一些研究人员将石墨烯掺入到聚合物基体中制成具有分离结构的导电复合材料。Pang等人（Pang H,Chen T,Zhang GM,Zeng BQ,Li ZM.Mater Lett2010;64:2226）利用石墨烯在水/乙醇中的分散然后热压制成具有分离结构的超高分子量聚乙烯/石墨烯导电复合材料。Du等人（Du JH,Zhao L,Zeng Y,Zhang LL,Li F,Liu PF.Carbon2011;49:1094-100）也报道了类似的制备方法。然而在这些方法中，直接分散在溶液中的石墨烯在搅拌和超声过程中不可避免地形成聚集体，造成石墨烯在聚合物粒子表面上的涂覆不均匀，从而降低了复合材料的导电性能。为了避免石墨烯在涂覆过程中形成聚集体,公开号为CN102585335A的中国专利文件中公开了一种先将氧化石墨烯涂覆在聚合物粒子表面然后再进行还原的两步法，和上面Pang和Du等人的一步法相比，有效地阻止了石墨烯的团聚，进一步提高了复合材料的导电性。

最近，Tang等人（Tang H,Ehlert GJ,Lin Y,Sodano HA.Nano Lett.2012;12:84-90）报道了一种将氧化石墨烯通过溶液法分散在聚偏氟乙烯基体中，然后在200°C热压，基体中的氧化石墨烯被原位还原成石墨烯。这种简单、环境友好的制备方法为聚合物/石墨烯复合材料的规模化生产提供了新的途径。然而由于他们制备的石墨烯是无归地分散在聚合物基体中，故该复合材料的导电性差，不能满足应用要求。如果我们首先将氧化石墨烯涂覆在聚合物粒子表面然后将其在热压过程中原位还原氧化石墨烯，制成具有分离结构的石墨烯/聚合物二维导电复合材料，无疑会大幅度提高复合材料的导电性，对实际应用有重要意义。然而，这方面的工作目前在国内外尚无报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既不需任何保护气体或真空条件，也不需要任何化学还原剂还原氧化石墨烯，还原和模压一次完成，简单实用的石墨烯与聚合物导电复合材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

a.氧化石墨烯的制备：按照石墨粉2-3g、的硝酸钠1-1.5g、浓硫酸350-375ml的比例将三者混合得到混合液，将10-12g高锰酸钾在搅拌和始终保持温度低于20℃的冷却条件下缓慢加入到所述溶液中，转至在35℃的水浴下被连续搅拌30分钟后加入250-375ml的离子水并升温到97℃，搅拌30分钟后，通过加入去离子水和60毫升30%的双氧水使反应终止，将混合溶液过滤并用5%的HCl水溶液和水清洗，干燥后得到氧化石墨烯；

b.氧化石墨烯的涂覆：将氧化石墨置于去离子水中超声分散3小时后获得均匀分散的浓度为0.1mg/ml的氧化石墨烯水溶液，将2g聚偏氟乙烯粉末加入到27-330ml所述氧化石墨烯水溶液中，在80℃的温度和机械搅拌下使溶液水分蒸发，被氧化石墨烯涂覆的聚偏氟乙烯粉末在80℃的真空下干燥24小时，获得氧化石墨烯涂覆的聚偏氟乙烯粉末；

c.模压成型：在没有任何气体保护的条件下，将氧化石墨烯涂覆的聚偏氟乙烯粉末置于200℃的压机上模压2小时后，从压机上取出空冷到室温获得具有分离结构的石墨烯与聚合物导电复合材料。

本发明的效果通过如下验证。

测试方法：