[发明专利]包含化学连接的氟化石墨衍生的纳米颗粒的复合材料

说明书

本发明题为“包含化学连接的氟化石墨衍生的纳米颗粒的复合材料”。本发明公开了一种包含官能化石墨烯衍生物的物质组合物，所述官能化石墨烯衍生物具有通过化学接头键合到石墨烯表面的至少一个官能团。一种方法包括使氟化石墨与至少一种反应物反应，其中至少一种反应物为二官能反应物或多官能反应物中的一种，以制备氟化石墨衍生物。

本公开涉及复合材料，更具体地讲，涉及具有衍生自氟化石墨的官能化石墨烯的那些。

当在聚合物基质内混合时，石墨烯纳米片改善基体聚合物在弹性模量、拉伸强度、韧性等方面的机械性能。如果纳米片用能够在固化期间与聚合物基质反应的化学基团官能化，则将产生化学连接的颗粒网络。与包含无规分散在聚合物基质内的类似但未化学键合的颗粒的复合材料相比，该网络可具有更强的机械性能。

石墨烯为聚合物复合材料提供了高度有前景的填料材料。其优异的机械性能，诸如1TPa的弹性模量和130GPa的固有强度，可实现机动车和航空航天工业等所关注的强效和轻型复合材料的生产。基于石墨烯的纳米复合材料通常特征在于未改性的石墨烯、氧化石墨烯(GO)、或作为填料材料的具有各种官能团的化学官能化的石墨烯纳米片。目前，在复合材料的机械性能开始受到损害之前，石墨烯或其衍生物的较差分散性限制了填料负载的最大可用水平。

此外，官能化石墨烯的制备存在许多挑战。石墨的剥脱形成单独的石墨烯片，以及石墨烯的化学惰性，使得化学官能化的石墨烯纳米片的制备成为一种缓慢的低通量过程，其经常涉及许多合成步骤。例如，官能化石墨烯纳米片的大多数合成起始于氧化石墨烯(GO)，其本身由Hummers方法或其许多变型中的一种产生。所述方法总是利用过量的强酸和强氧化剂，这两者均导致产生大量的高腐蚀性和反应性废物、以及危险气体如NO₂或 N₂O₄，以产生相对少量的GO。

GO上的官能团主要由羧酸(-COOH)和醇(-OH)以及少量环氧化物组成。这些基团通常具有低反应性或不具有反应性，并且GO进一步官能化以提供所关注的官能团取决于反应性偶联剂或试剂。这两者均增加了后续纯化的复杂性，并且最终导致材料成本增加。

根据这里所示的方面，提供了一种物质组合物，该物质组合物包含官能化石墨烯衍生物，该官能化石墨烯衍生物具有通过化学接头键合到石墨烯表面的至少一个官能团。

根据这里所示的方面，提供了一种方法，该方法包括使氟化石墨与至少一种反应物反应，其中至少一种反应物为二官能反应物或多官能反应物中的一种，以产生氟化石墨衍生物。

附图说明

图1示出具有和不具有聚合物基质反应性官能团的颗粒的比较。

图2示出了氟化石墨与一官能反应物和二官能反应物反应生成氟化石墨衍生物的实施方案的示意图。

图3示出了制备环氧反应的氟化石墨烯的方法的一个实施方案。

图4-5示出了由胺反应的氟化石墨制备氟化石墨衍生物的方法的一个实施方案。

图6-7示出了一种氟化石墨衍生物的衰减全反射—傅立叶变换红外光谱的曲线图。

图8示出了一些种类的氟化石墨衍生物的热重量分析的图，以及与氧化石墨烯衍生物的比较。

如本文所用，术语“纳米片”是指厚度通常在0.1纳米至100纳米范围内的二维结构。

如本文所用，术语“氟化石墨衍生的材料”或“氟化石墨衍生物”是指由加工氟化石墨产生的任何材料。

如本文所用，术语“官能团”是指赋予有机化合物化学性质并且是化学反应性中心的一组原子。“官能化”结构诸如分子或纳米片是这些基团已被添加到其中的结构。

如本文所用，术语“复合材料”是指具有嵌入的纳米颗粒的聚合物基质。