[发明专利]热塑性高分子基石墨烯拉花改性导电复合材料的制备方法

说明书

本发明属于纳米复合材料制备领域，特别涉及一种热塑性高分子基石墨烯拉花改性导电复合材料的制备方法。首先利用石墨烯纳米粒子形成具有一定力学强度和良好导电性能的石墨烯纸薄膜，经表面平行切口、牵拉处理得到拉花式石墨烯三维空间网络，在升温条件下通过大流动性高分子材料的浸渍、密实和冷却固化得到石墨烯拉花/热塑性高分子导电复合材料。该方法所得复合材料内部石墨烯拉花与高分子基体均保持高度连续，以较少的石墨烯掺量即可实现优良的导电性能，同时赋予复合材料较好的力学强度和刚性。此外，该制备方法还具有工艺简单、操控方便、易于实现工艺放大等特点，所得复合材料的力学性能和导电能力均有明显提升。

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备领域，特别涉及一种热塑性高分子基石墨烯拉花改性导电复合材料的制备方法。

背景技术

作为2004年最新发现的低维碳纳米材料，石墨烯具有非常优异的力学性能，其抗张强度可达130GPa，弹性模量约为1100GPa，是已测材料中最高的；同时，石墨烯还具有非常高的电子迁移率(20000cm²/(V·s))和导热率(3000W/(m·K))等独特物性。从结构上看，石墨烯是由碳原子在平面上按照苯环六角结构周期性规则排列而成，可望与高分子基体形成牢固的界面结合，改善高分子的韧性和强度，也可利用石墨烯优良的电子输运能力制备导电性石墨烯/高分子复合材料等。在石墨烯/高分子复合材料的研制过程中，一个难以回避的技术瓶颈就是石墨烯的分散问题：由于石墨烯的比表面积大、表面能高，再加上其横向尺寸远远超过厚度，因此易于蜷曲成团，削弱石墨烯与高分子基体之间的界面结合，严重影响石墨烯的增强增韧效果。此外，石墨烯较高的价格也是阻碍石墨烯/高分子复合材料研究开发与应用推广的主要障碍之一。

热塑性高分子是指具有加热软化、冷却硬化特性的聚合物材料，而且这一因温度变化所导致的液-固间变化是可逆的。常见热塑性高分子有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、尼龙(Nylon)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)、聚四氟乙烯(特富龙PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)等，广泛应用于包装、农业、日用、绝缘、建筑等诸多领域，具有综合性能好、价格低廉、产量大等特点。但热塑性高分子材料的力学强度大多不高，耐热性能较差(一般不高于200℃)，此外也容易产生静电。如合理引入分散均匀、排列规则的石墨烯粒子作为增强改性体，则对热塑性高分子材料使用性能的改善及应用领域拓展均具有显著的推动作用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种热塑性高分子基石墨烯拉花改性导电复合材料的制备方法，解决石墨烯粒子在高分子基体中的分散问题，并降低导电复合材料的生产成本。

为了实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种热塑性高分子基石墨烯拉花改性导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)首先将石墨烯均匀分散于蒸馏水中，石墨烯与蒸馏水的质量比为1:20～1:100加入分散剂和增韧剂，超声2～8h至充分分散，再经真空抽滤、压制密实后形成石墨烯纸薄膜；

(2)采用石墨烯纸薄膜，在表面加工出平行切口，并于两端施加拉伸应力，使其形成“石墨烯拉花”式空间网格，将石墨烯拉花固定于浇注模具中；

(3)热塑性高分子材料升温至软化点之上20～50℃，使其转化为具有良好流动性的流体状态，迅速浇注至模具中，待热塑性高分子材料冷却、固化后得到石墨烯拉花改性的热塑性高分子基复合材料。

所述的热塑性高分子基石墨烯拉花改性导电复合材料的制备方法，步骤(1)中，采用的石墨烯片层数量1～10层，厚度0.3～3nm，片层尺寸1～100μm。

所述的热塑性高分子基石墨烯拉花改性导电复合材料的制备方法，步骤(1)中，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，其用量为石墨烯质量的10％～30％。