[发明专利]石墨烯增强的聚合物基质复合材料

权利要求书

1.一种石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其包含基本上均匀分布在热塑性聚合物基质中的总复合材料重量的约10％至约50％的颗粒，所述颗粒选自石墨微粒、单层石墨烯纳米颗粒、多层石墨烯纳米颗粒及其两种或更多种的混合物，其中：

至少50wt％的颗粒由沿着c-轴方向的厚度小于50纳米的单层和/或多层石墨烯纳米颗粒组成；并且

所述热塑性聚合物选自聚酰胺、聚苯乙烯、聚苯硫醚、高密度聚乙烯、ABS聚合物、聚丙烯腈、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)及其两种或更多种的混合物。

2.如权利要求1所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述热塑性聚合物包含聚酰胺、聚苯乙烯、聚苯硫醚或高密度聚乙烯。

3.如权利要求2所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述聚酰胺选自脂肪族聚酰胺、半芳香族聚酰胺、芳香族聚酰胺及其两种或更多种的混合物。

4.如权利要求3所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述聚酰胺是脂肪族聚酰胺，其选自聚酰胺-6,6；聚酰胺-6,9；聚酰胺-6,10；聚酰胺-6,12；聚酰胺-4,6；聚酰胺-6(尼龙-6)；聚酰胺-11(尼龙-11)和聚酰胺-12(尼龙-12)。

5.如权利要求4所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述脂肪族聚酰胺是聚酰胺-6,6。

6.如权利要求3所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述聚酰胺是半芳香族聚酰胺。

7.如权利要求6所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述半芳香族聚酰胺是聚邻苯二甲酰胺。

8.如权利要求3所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述聚酰胺是芳香族聚酰胺。

9.如权利要求8所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述芳香族聚酰胺是对芳族聚酰胺。

10.如权利要求1至9中任一项所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述石墨可掺杂有其他元素，以对所剥离的石墨烯纳米颗粒的表面化学进行改性。

11.如权利要求1至9中任一项所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述石墨是膨胀石墨。

12.如权利要求1至9中任一项所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中可以对分散的石墨的表面化学或纳米结构进行改性，以与聚合物基质键合，从而增加石墨烯增强的复合材料的强度和刚度。

13.如权利要求1至9中任一项所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中石墨烯纳米颗粒的定向排列被用于获得聚合物基质相的一维、二维或三维增强。

14.如权利要求1至9中任一项所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其包含通过单层或多层石墨烯片材而被分子间交联的聚合物链，所述片材的边缘上具有带有反应性键合位点的碳原子。

15.一种汽车、航空器、船只或航天部件，其由权利要求1至9中任一项所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料形成。

16.如权利要求15所述的部件，其中所述部件是发动机部件。

17.如权利要求1至9中任一项所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述复合材料由包括以下步骤的方法制备：

(a)将石墨微粒分布到熔融热塑性聚合物相中，所述熔融热塑性聚合物相包含一种或多种所述基质聚合物；和

(b)向所述熔融聚合物相施加一系列的剪切应变过程，以使所述基质聚合物随着每个过程连续地剥离石墨，直到至少50％的石墨被剥离，以形成沿着c轴方向的厚度小于50纳米的单层和多层石墨烯纳米颗粒在所述熔融聚合物相中的分布。

18.如权利要求17所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中所述石墨颗粒通过以下过程制备：将含有石墨的矿物质压碎和磨碎到毫米大小的尺寸，将毫米大小的颗粒减小至微米大小的尺寸，并从含有石墨的矿物质提取微米大小的石墨颗粒。

19.如权利要求17所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中通过使用具有轴向槽纹延伸的混合元件或螺纹延伸的混合元件的单螺杆挤出机将所述石墨颗粒分布到所述熔融聚合物相中。

20.如权利要求19所述的石墨烯增强的聚合物基质复合材料，其中含有石墨的熔融聚合物相经受重复挤出以诱导石墨材料的剥离，并形成所述单层和多层石墨烯纳米颗粒在所述热塑性聚合物基质中的基本上均匀的分散体。