[发明专利]基于三维石墨烯改性的塑料复合材料及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种基于三维石墨烯改性的塑料复合材料及其制备。

背景技术

随着工业生产和科学技术的发展，人们对导热材料综合性能的要求也越来越高，传统的金属、陶瓷等材料已无法满足某些特殊场合的需求，如化工生产和废水处理中使用的热交换器，既需要材料具有导热能力，又要求其耐化学腐蚀；在电子电路中使用大功率管，其底部就需要绝缘的散热器件。另外有色金属资源紧张，有必要开发一种可代替金属铝、铜的导热材料。导热塑料由于具有稳定的化学性质、质轻且坚固、优良的力学及抗疲劳性能、良好的加工性能、低廉的价格，在工业生产中得到大量的应用，逐渐成为导热领域的新角色。但作为导热材料，纯的塑料一般是不能胜任的，因为塑料大多是热的不良导体，通常热传导率只有0.2W/(m·K)。

导电塑料具有塑料的密度，同时具有金属的导电性和塑料的可加工性，此外还具备金属和塑料所欠缺的电化学性能，以应用于抗静电、电磁屏蔽、彩色显示、微波吸收及电化学等领域。导电塑料一般可分为结构型和复合型，结构型导电塑料是本身具有导电性或经化学改性后具有导电性的塑料，由于这一类塑料的生产成本高、工艺难度大，至今尚无大量生产；复合型导电塑料是指经物理改性后具有导电性的塑料，一般以某种树脂为基体，加入具有优异导电性能的填料及其他添加剂复合而成。复合型导电塑料因具有重量轻、易成型、总成本低并且可以在较宽范围内调节导电性能等优点，使其较结构型导电塑料的研究和应用更为成熟，不少品种已工业化生产。但常规复合型导电塑料由于导电填料添加量不足，无法满足高端电气设备加工需要，但添加大量导电填料，又会造成机械性能降低，限制其在精密电器元件中的大规模使用。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种既具有良好的导电性，又具有优异导热性能，且方便机械加工的基于三维石墨烯改性的塑料复合材料及其制备。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

本发明的基于三维石墨烯改性的塑料复合材料，包括质量百分含量为95％-99.9％的塑料基材和0.1％-5％三维石墨烯。

进一步的，所述塑料基材包括PA、PE、PP、PVC、POM、PC、PMMA、ABS、PS、PPS、尼龙66、EP、PF、PTFE、PVDF、PPA、PEEK、HDPE、LCP、PVA、PE-RT、TPE中的一种。

进一步的，所述的三维石墨烯具有亚微米至数微米的三维连通多孔网络。

一种基于三维石墨烯改性的塑料复合材料的制备，包括：

步骤1)通过改进的Hummers方法制备氧化石墨烯；

步骤2)三维石墨烯的制备：将步骤1)制备的氧化石墨烯超声分散在超纯水中，浓度为1-2mg/ml，之后转移到反应釜中160-200℃反应20-24h，水洗，得到三维还原氧化石墨烯水凝胶，冷冻干燥；

步骤3)将步骤2)制得的三维石墨烯和塑料基材在高速搅拌机中混合2-15min，再加入双螺杆挤出机中共混造粒，挤出机温度设定在170-280℃，制得三维石墨烯改性的塑料复合材料。

进一步的，所述改进的Hummers方法制备氧化石墨烯，包括预氧化和氧化和剥离；

所述预氧化为：将质量份为1份的天然石墨、3-10份浓硫酸、0.5-0.9份的K₂S₂O₈及P₂O₅混合加热至80℃，反应6h，用超纯水清洗至中性得到预氧化石墨；

所述氧化为：0℃下，将预氧化石墨与6-20份的浓硫酸混合，在搅拌下逐渐加入1-3份的KMnO₄，在此过程中控制混合物温度在20℃以下；再将混合物升温至35℃，搅拌2h后，加入20-50份超纯水，继续搅拌15min，最后加入40-150份超纯水结束反应；接着，加入2份30％H₂O₂，将混合物用10％HCl离心清洗以除去多余的金属离子，得到的沉淀用超纯水反复离心清洗至溶液呈中性；

剥离：为了剥离氧化石墨，得到的产物用400w的细胞粉碎仪超声30min，13000rpm离心取上清液，90℃温度下进行24h干燥，得到黑棕色的氧化石墨烯。

本发明的有益效果为：

(1)三维石墨烯具有自支撑结构，柔韧性、多孔性、高活性表面积等独特的性质，易与基体紧密接触，在树脂中有良好的分散性；