[发明专利]一种改性石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物复合材料制备技术领域，具体涉及一种改性石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜的制备方法。

背景技术

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），通常被称作有机玻璃，它的化学稳定性好，透光率高，溶解性能和成膜性能，机械性能高，安全无毒，价格低，且易于成型加工，广泛用于航空、光学仪器、建筑等领域。但聚甲基丙烯酸甲酯本身质脆易开裂，热稳定性较差，使得聚甲基丙烯酸甲酯及其复合材料在诸多领域的应用都受到限制。

石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料，具有优异的电性能、机械性能和热性能等，因此，将其作为纳米填料组分加入聚合物中，可以有效改善聚合物的电、机械和热等性能。因此，这种方法将成为聚合物基纳米复合材料领域的研究热点和重点。然而，石墨烯的表面呈惰性状态，与其他介质之间的相互作用弱，且石墨烯片层之间具有较强的范德华力，导致其亲水、亲油性都很差，这使得它在聚甲基丙烯酸甲酯基体中的分散性差且容易团聚，因而不能很好地与聚合物基体复合，这大大限制了石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的进一步研究和应用范围。

石墨烯的分散状态对复合材料的性能会产生明显影响，因此，石墨烯的分散性问题是石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料制备中的关键问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明利用改性剂对石墨烯进行修饰，从而提高和改善它在水和有机溶剂中的分散性，进而提供一种制备简单、反应条件温和、易于操控制且分散均匀的改性石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种改性石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）改性石墨烯的制备：先将氧化石墨烯分散在去离子水中，在常温下超声震荡搅拌0.1-24h，得到浓度为0.01-3.0mg/mL的氧化石墨烯-水分散液；再将7-羟基-4-甲基香豆素加入到该氧化石墨烯-水分散液中，在20-50℃下搅拌0.1-10h；然后加入碱性溶液，搅拌0.1-12h，并调节pH值到9-10；再加入化学还原剂，在60-100℃下反应10-100h得到改性混合液；将该改性混合液抽滤得到固态物质，再依次用乙醇和去离子水洗涤所述的固态物质至中性；放置在大气或者真空环境下，于40-80℃干燥至恒重，即得到改性石墨烯。

2）配制改性石墨烯-四氢呋喃分散液：将步骤1）得到的改性石墨烯加入到四氢呋喃中，搅拌0.1-10h，然后超声震荡0.1-24h，得到浓度为0.01-2.0mg/mL的改性石墨烯-四氢呋喃分散液。

3）制备薄膜：将聚甲基丙烯酸甲酯溶解于四氢呋喃中，得到质量浓度为1%-10%的聚甲基丙烯酸甲酯溶液；将步骤2）得到的改性石墨烯-四氢呋喃分散液加入到上述聚甲基丙烯酸甲酯溶液中，搅拌0.1-5h，再用超声震荡0.1-24h，得到分散均匀的改性石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯混合溶液；将上述石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯混合溶液倒入器皿中，在大气或真空环境下，于40-80℃下干燥至恒重，得到改性石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜；其中，改性石墨烯的质量分数为0.1%-15%。

进一步，步骤1）中所述的碱性溶液是浓度为0.1-2.0mol/L的氢氧化钠溶液或质量分数为25%-28%的氨水溶液。

进一步，步骤1）中所述的氧化石墨烯、7-羟基-4-甲基香豆素、化学还原剂的质量比为1：1-50：1-60。

进一步，步骤1）中所述的化学还原剂为水合肼、维生素C或葡萄糖。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明选取的聚合物基体为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），可以通过购买市售品或合成制备获得，安全无毒，化学稳定性好。溶解性能好，成膜性能好，有利于加工制备。

2、本发明选取的改性剂为7-羟基-4-甲基香豆素，其分子含有羟基、酯基和共轭结构等，可以与氧化石墨烯中的羰基和羧基等含氧基团发生氢键和e-e等相互作用，通过被还原而得到的改性石墨烯中也含有羟基等基团，可以与聚甲基丙烯酸甲酯分子中的酯基产生氢键相互作用，有利于提高和改善石墨烯在聚甲基丙烯酸甲酯中的分散性，增强界面结合力。

3、本发明选取的改性剂为7-羟基-4-甲基香豆素，可以通过购买市售品或合成制备获得，材料易于获得，溶解性能好，化学稳定性好，成本低。

4、本发明选取的化学还原剂，可以通过购买市售品或合成制备获得，材料易于获得，溶解性能好，化学稳定性好，价格低廉。