[发明专利]制备石墨烯补强的聚合物基质复合材料的原位剥离法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35USC§119(e)要求于2012年10月19日提交的美国临时专利申请序号为61/716,461的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及将含有良好结晶的石墨颗粒的聚合物复合材料转换为具有各种商业应用的纳米分散的单层或多层石墨烯颗粒的高效率混合方法。

发明背景

聚合物组合物被越来越多地用于各种不同的领域中，这些领域传统上使用其它材料如金属。聚合物具有许多可取的物理性质，并且质轻和价廉。此外，许多聚合物材料可以被制成各种不同的形状和形式，且在其呈现的形式中表现出显著灵活性，并且可以被用作涂料、分散体、挤出和模塑树脂、糊剂、粉剂以及类似物。

期望使用聚合物组合物的各种应用需要具有导电性的材料。然而，相当数量的聚合材料本质上对于许多这样的应用而言都不够导电性或导热性。

石墨烯是由纯碳组成的物质，其中原子以六边形图案排布在紧密堆积的一个原子厚的片材中。这种结构是理解许多碳基材料，包括石墨、大富勒烯，纳米管以及类似物的基础(例如，碳纳米管通常被认为是石墨烯片材卷成的纳米大小的圆筒状物)。石墨烯是sp²键合的碳原子的单个平面片材。因为片材是有限大小的并且其他元素可以以非零(non-vanishing)化学计量比附着在边缘，石墨烯不是碳的同素异形体。

当用于补强聚合物时，任何形式的石墨烯通过抑制裂纹扩展提高聚合物韧性。石墨烯也被添加到聚合物和其它组合物中以提供导电和导热性。石墨烯的导热性使其成为用于电子器件和激光器的热管理(例如，平面散热)的理想添加剂。碳纤维补强的聚合物基质复合材料(CF-PMCs)的一些商业应用包括飞机和航天系统、汽车、电子、国防/安全、压力容器以及反应腔等。

开发有效生产石墨烯补强的聚合物基质复合材料(G-PMCs)的低成本方法进展缓慢。目前，所存在的正影响G-PMCs在现实世界的应用中的可用性发展的一些挑战是所用材料是昂贵的，并且目前使用的化学或机械操作尚未实践于大规模商业化生产。因此，将期望适于大规模商业化生产的生产G-PMC的低成本方法，该方法提供许多性质优点，包括提高的比刚度和强度、增强的导电/导热性以及光学透明保留性。

发明概述

本发明内容提供一种聚合物加工方法，该方法通过分散在熔化聚合物基质中的结晶良好的石墨颗粒的拉伸流动(elongational flow)和折叠(folding)来制造石墨烯补强的聚合物基质复合材料(G-PMC)。

在一个方面，本文提供用于形成石墨烯补强的聚合物基质复合材料的方法，该方法包括：将石墨微颗粒分配到熔融的热塑性聚合物相中；和向熔融聚合物相施加一连串的剪切应变过程，以使所述熔融聚合物相随着每个过程剥离(exfoliate)石墨，直到至少50％的石墨被剥离以在所述熔融聚合物相中形成在c轴方向上厚度小于50纳米的单层和多层石墨烯纳米颗粒的分布。

在某些实施方式中，石墨颗粒可以通过将含有石墨的矿物质粉碎和研磨到毫米大小的尺寸来制备。

在某些实施方式中，毫米大小的颗粒可以通过使用球磨机(ball milling)或磨碎机(attritor milling)缩减至微米大小的尺寸。

在某些实施方式中，石墨颗粒可以通过浮选(flotation)法从微米大小的颗粒混合物提取。

在某些实施方式中，所提取的石墨颗粒可以通过使用具有轴向槽纹延伸(axial fluted extensional)的混合元件或螺旋槽纹延伸(spiral fluted extensional)的混合元件的单螺杆挤出机掺入到聚合物基质中。

在某些实施方式中，含有石墨的聚合物基质经受重复挤出以诱导石墨材料的剥离，从而形成石墨烯纳米颗粒在聚合物基质中的均匀分散体。

在某些实施方式中，聚合物选自聚醚醚酮、聚醚酮、聚苯硫醚、聚乙烯硫化物、聚醚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚砜、聚碳酸酯、聚苯醚/氧化物、尼龙、芳族热塑性聚酯、芳族聚砜、热塑性聚酰亚胺、液晶聚合物、热塑性弹性体、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛塑料、聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚酰亚胺、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、丙烯酸类树脂、聚苯硫醚、聚苯醚及其混合物。