[发明专利]一种复合改性石墨烯改性水性聚氨酯乳液及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合改性功能化石墨烯改性水性聚氨酯乳液及其制备方法，先使用异氰酸酯对氧化石墨烯进行处理，将异氰酸根基团接枝到GO的表面，制得表面含有大量反应活性更高基团‑NCO的还原氧化石墨烯，再使用改性剂对其改性，得到复合改性功能化石墨烯改性水性聚氨酯乳液。本发明制备方法有效的增加了氨基基团在氧化石墨烯表面的接枝率，增加了功能化氧化石墨烯和水性聚氨酯反应的活性位点，制得的乳液稳定、纳米粒子分散性好，同时，复合了功能化石墨烯的聚氨酯材料，赋予材料优异的力学性能、耐热性能、导电性能、表面性能等。

技术领域

本发明属于高分子化学领域，具体涉及一种复合改性功能化石墨烯改性水性聚氨酯乳液及其制备方法。

背景技术

水性聚氨酯作为一种以水为分散介质的环保型材料，无毒、无污染、价格低廉使得它被广泛应用于涂料、黏合剂、纤维处理剂等领域。然而，水性聚氨酯在制备过程中会引入大量亲水基团，造成部分性能不佳，为了提高 WPU 的综合性能以及使用性能，必须引入新物质对WPU进行改性。石墨烯被称为材料之王，作为一种拥有特殊的二维平面结构的材料，其拥用高比表面积、优异的导热性、导电子性等化学或物理特性，被广泛用于许多应用中。但石墨烯有一个很大的缺点，即由于石墨烯是由六元苯环构成，稳定性高，呈惰性，很难与其他物质结合，与大多数无机碳材料相似，制备石墨烯/聚合物复合材料的关键就在于改善石墨烯的分散性和相容性。

现有技术中，一般是先通过是先通过化学氧化法生成氧化石墨烯，再通过一定的还原剂，将其还原成目标产物石墨烯。目前使用常见的化学还原剂如对苯二胺、硅烷偶联剂等，存在一个普遍的问题：氮元素的接枝率。较低的氮元素接枝率意味着材料在聚合物中的分散性和相容性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有优异的稳定性、耐热性及表面性能的复合改性功能化石墨烯改性水性聚氨酯乳液，在功能涂料行业具有重要的应用潜力。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种复合改性功能化石墨烯改性水性聚氨酯乳液的制备方法，首先，采用改良的Hummers法制得氧化石墨烯A；采用改性剂、二异氰酸酯对氧化石墨烯A改性，制得复合改性氧化石墨烯B；然后以二异氰酸酯、聚醚二醇、亲水扩链剂为原料，制得水性聚氨酯预聚物C；在搅拌条件下，将复合改性功能化石墨烯B加入水性聚氨酯预聚物C中，制得中间乳液D；最后，在中间乳液D中加入去离子水乳化得到复合改性功能化石墨烯改性水性聚氨酯乳液。

具体包括以下步骤，以下份数均为质量份：

步骤一、制备氧化石墨烯：

采用改良的Hummers法，将2份石墨粉、100份浓硫酸、2份硝酸钠、12份高锰酸钾在0℃混合，并室温反应24h，再在98℃下，分次加入100份及200份去离子水，降温至60℃后加入2份过氧化氢，最后洗涤干燥处理制备得到氧化石墨烯A；

步骤二、制备复合改性氧化石墨烯：

将 1-2份步骤一制得的氧化石墨烯A、1-2份二异氰酸酯、5份溶剂、1份改性剂在68℃下搅拌反应7h，产物用去离子水和溶剂洗涤后经干燥处理制得复合改性氧化石墨烯C；

步骤三、制备复合改性功能化石墨烯改性水性聚氨酯乳液：

将5-6份二异氰酸酯、5-6份聚醚二醇、1-2份亲水扩链剂、5份溶剂、0.01份催化剂在80℃下聚合反应3h，接着加入不同质量分数含量的复合改性功能化石墨烯B，反应2h，最后降温至40℃，加入成盐剂，反应30min，最后加入50份的去离子水和0.1份后扩链剂，乳化得固含量为20%的复合改性功能化石墨烯改性水性聚氨酯乳液。

步骤二所述的复合改性功能化石墨烯的结构为：

步骤二中所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，所述的二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯，所述的改性剂为乙二胺。