一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法技术

本发明专利技术属于石墨烯增强母料制备技术领域，提供了一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法。该方法通过反复静电纺丝拉伸，将石墨剥离为石墨烯并分散于高分子树脂中形成石墨烯增强母料。集石墨烯制备与分散为一体，得到的石墨烯增强母料石墨烯质量高、分散均匀，可广泛应用于塑料、橡胶的增强。该方法制备石墨烯母料对石墨烯的损伤小，使得石墨烯的界面增强功能得到充分的发挥。与传统方法相比，该发明专利技术工艺简单，成本低，同时可以保证石墨烯增强母料中石墨烯的高质量和均匀分散。

A method for the preparation of graphene reinforced masterbatch by electrostatic spinning

The invention belongs to the technical field of the preparation of graphene reinforced masterbatch, and provides a method for the preparation of graphene reinforced masterbatch through an electrostatic spinning drawing. In this method, the graphite is stripped to graphene by repeated electrostatic spinning, and it is dispersed in the polymer resin to form a graphene reinforced matrix. The preparation and dispersion of graphene are integrated. The graphene reinforced masterbatch graphene is of high quality and even dispersion. It can be widely applied to enhance plastics and rubber. The preparation of graphene material by this method has little damage to graphene, which makes the interface enhancement function of graphene fully exerted. Compared with the traditional method, the invention has the advantages of simple process and low cost. At the same time, it can ensure the high quality and uniform dispersion of graphene in the graphene reinforced matrix.

【技术实现步骤摘要】
一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法
本专利技术涉及石墨烯增强母料的制备领域，尤其是涉及一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法。
技术介绍
石墨烯是一种由sp2杂化碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料，厚度可为单层或几层。2004年，英国科学家Geim和Novoselov等，从理论上证实石墨烯单晶的存在，并利用胶带剥离高定向石墨的方法制得能够真正独立存在的二维石墨烯片层，至此掀起石墨烯科学研究和工程应用的热潮。它的厚度仅为一个碳原子，是目前世界上已知最薄、最坚硬、最具有韧性的材料。石墨烯具有很高的强度，碳原子之间的强大作用力使其成为目前力学强度已知最高的材料。与碳纳米管（CNTs）相比，石墨烯具有更优异的性能，如石墨烯的室温载流子迁移率约为10000cm2/V·s，理论比表面积约为2630m2/g，可见光透过率约为97.7%，杨氏模量约为1TPa，热传导系数为3000～5000W/（m·K），具有优异的力学性能、电性能、热性能等，石墨烯的加入使复合材料也拥有这些优异的性能。目前制备石墨烯的方法众多，有气相沉积、外延生长法，机械剥离法，氧化还原法等。石墨烯结合了碳纳米管导电和黏土片层的结构特征，为发展高性能、多功能聚合物纳米复合材料提供了新的方向，近年来许多石墨烯/聚合物复合材料被制备和研究近年来，人们创造性地将石墨烯与纳米粒子复合起来，形成了一个新的研究领域，石墨烯有优异的力学性能，添加到聚合物基体中，理论上能很好地改善材料的力学性能，如拉伸强度、断裂伸长率、硬度等，也有很多报道证实石墨烯的加入对力学性能的改善贡献很大。S.Vadukumpully等用溶液混合法制备了聚氯乙烯(PVC)／石墨烯复合材料，发现石墨烯质量分数为2%时，复合材料的拉伸弹性模量提高了58%，拉伸强度提高了130%。可见，石墨烯单独分散到基体中就能对材料力学性能有较好的改善。也有很多研究者将石墨烯纳米微片添加到材料中，J.Longun等通过原位聚合制备了聚酰亚胺(PI)／石墨烯复合材料，发现石墨烯加入量仅为1.18%时，复合材料高弹区的模量增加了110倍。而S.V.Polschikov等也是采用原位聚合的方法添加石墨烯微片，加入了高效茂金属催化剂，制备了聚丙烯(PP)／石墨烯复合材料，发现复合材料不仅力学性能有所提高，还具有热稳定性好、结晶温度高、导电率低等特点。有研究证实石墨烯微片的长径比对复合材料的性能也有影响，P.May等利用石墨烯对聚乙烯醇(PVA)增强，取用了长径比为1000和2000的两种石墨烯鳞片，石墨烯体积分数少于0.4%时，片层少时强度增加较小，片层多则强度和模量可以增加一倍。其中，石墨烯用于塑料的增强被得到了广泛的关注。但石墨烯如何高效分散在塑料中成为问题的关键。因为石墨烯在复合材料中性能的体现与其在基体中的分散有关，如果分散不好或出现团聚，可能不能把石墨烯的优异性能很好地体现在复合材料中。目前已有将石墨烯原位聚合在聚合物中使石墨烯均匀分散于聚合物基体中，保证了石墨烯的分散，但是其工艺复杂，成本高。为了将石墨烯规模化应用于塑料，母料法是一种简便而有效的方法。即通过预先将石墨烯分散于聚合物中制备成高浓度母料，在使用时再通过熔融加工把母料加入塑料中，其不但使用方便，而且根据需要随意选择添加量。然而石墨烯在母料中的分散一直是本领域技术人员面临的问题。因为直接按照常规将石墨烯分散于载体中制备母料，其石墨烯性能损失较大。针对这种情况，我们提出一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法。其主要在于利用高分子静电纺丝原理，将石墨分散于高分子树脂中，通过反复静电纺丝拉伸，将石墨剥离为石墨烯并分散于高分子树脂中形成石墨烯增强母料。通过此种方法得到的石墨烯增强母料石墨烯质量高、分散均匀，可广泛应用于塑料、橡胶的增强，可极大促进石墨烯在塑料、橡胶行业的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法，可以解决传统方法将石墨烯在聚合物基体中难以均匀分散，而解决此类难题的一般方法又存在工艺复杂和成本高的缺点，最主要的，创造性的应用静电纺丝进行拉伸，可保证石墨烯均匀分散的同时，保证石墨烯增强母料的高质量和高效率。本专利技术涉及的具体技术方案如下：一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法，利用高分子静电纺丝原理，将石墨分散于高分子树脂中，通过反复静电纺丝拉伸，将石墨剥离为石墨烯并分散于高分子树脂中形成石墨烯增强母料。该石墨烯增强母料石墨烯质量高、分散均匀，可广泛应用于塑料、橡胶的增强。具体步骤如下：（1）将鳞片石墨加入N,N-二甲基乙酰胺与去离子水的混合溶液中，超声处理5~10min，然后一边磁力搅拌，一边加入亚硫酸氢钠，升高至90~100℃，反应2.5~4h后，过滤洗涤并干燥待用；（2）将步骤（1）预处理的石墨与聚合物混合，采用具有加热功能的静电纺丝装置，加热料筒至一定温度，升温稳定后，直到预处理的石墨与聚合物混合物料熔融开始下滴，调节喷嘴倾斜度至熔融物料刚好不会下滴,然后打开高压电源，对其施加一定的高压电场，熔体在电场作用下喷射出来，并被接收器接收揉合；此过程中，高压电场产生的电场力对石墨与聚合物产生拉伸作用，通过静电纺丝拉伸将石墨其剥离成为石墨烯，并均匀分散于聚合物中；重复拉伸3次以上，形成石墨烯分散均匀的丝状物；（3）将步骤（2）得到的丝状物通过螺杆挤出机挤压造粒，得到石墨烯增强母料。优选的，步骤（1）所述N,N-二甲基乙酰胺与去离子水的混合溶液的体积浓度为50~70%；优选的，步骤（1）所述鳞片石墨在N,N-二甲基乙酰胺与去离子水的混合溶液中的质量浓度为0.08~0.12kg/L；优选的，步骤（1）所述亚硫酸氢钠的加入量为0.4~0.6kg/L；优选的，步骤（2）所述聚合物为低密度聚乙烯或聚丙烯；预处理石墨与聚合物母料的质量比例为10-20：100；优选的，步骤（2）所述静电纺丝机的纺丝距离为10~20cm；所述喷嘴的内径为0.2~0.5mm；优选的，步骤（2）所述料筒的预热温度为：采用低密度聚乙烯时为320~350℃，采用聚丙烯时为230~260℃；优选的，步骤（2）所述高压电场的电压为40~60KV；优选的，步骤（2）静电纺丝过程中，料筒、纺丝装置、接收器都应处于真空状态。石墨烯在聚合物基体中的分散是一个很关键的问题。这是因为石墨烯具有非常大的比表面积，活性高容易团聚，导致原有的优异的增强性能丧失。目前大都将石墨烯预制成高浓度石墨烯的母料来体改分散性。但在具体操作时母料中的石墨烯分散成为难点。目前较多研究者采用表面含有大量的官能团的氧化石墨烯或改性石墨烯作达到分散的目的。但是由于氧化石墨烯在氧化过程中已经被所使用的氧化剂严重破坏了石墨烯片的原始晶体结构，从而严重降低了其增强性、导电性能。本专利技术创造性的提出的一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法，利用高分子静电纺丝原理，通过反复静电纺丝拉伸，将石墨剥离为石墨烯并分散于高分子树脂中形成石墨烯增强母料。集石墨烯制备与分散为一体，得到的石墨烯增强母料石墨烯质量高、分散均匀，可广泛应用于塑料、橡胶的增强。该方法制备石墨烯母料对石墨烯的损伤小，使得石墨烯的界面增强功能得到充分的发挥。本专利技术提供了一种通过静电纺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法，其特征在于，将石墨分散于高分子树脂中，通过反复静电纺丝拉伸，将石墨剥离为石墨烯并分散于高分子树脂中形成石墨烯增强母料，具体步骤如下：（1）将鳞片石墨加入N,N‑二甲基乙酰胺与去离子水的混合溶液中，超声处理5~10min，然后一边磁力搅拌，一边加入亚硫酸氢钠，升高至90~100℃，反应2.5~4h后，过滤洗涤并干燥待用；（2）将步骤（1）预处理的石墨与聚合物混合，采用具有加热功能的静电纺丝装置，加热料筒至一定温度，升温稳定后，直到预处理的石墨与聚合物混合物料熔融开始下滴，调节喷嘴倾斜度至熔融物料刚好不会下滴,然后打开高压电源，对其施加一定的高压电场，熔体在电场作用下喷射出来，并被接收器接收揉合；此过程中，高压电场产生的电场力对石墨与聚合物产生拉伸作用，通过静电纺丝拉伸将石墨其剥离成为石墨烯，并均匀分散于聚合物中；重复拉伸3次以上，形成石墨烯分散均匀的丝状物；（3）将步骤（2）得到的丝状物通过螺杆挤出机挤压造粒，得到石墨烯增强母料。

【技术特征摘要】
1.一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法，其特征在于，将石墨分散于高分子树脂中，通过反复静电纺丝拉伸，将石墨剥离为石墨烯并分散于高分子树脂中形成石墨烯增强母料，具体步骤如下：（1）将鳞片石墨加入N,N-二甲基乙酰胺与去离子水的混合溶液中，超声处理5~10min，然后一边磁力搅拌，一边加入亚硫酸氢钠，升高至90~100℃，反应2.5~4h后，过滤洗涤并干燥待用；（2）将步骤（1）预处理的石墨与聚合物混合，采用具有加热功能的静电纺丝装置，加热料筒至一定温度，升温稳定后，直到预处理的石墨与聚合物混合物料熔融开始下滴，调节喷嘴倾斜度至熔融物料刚好不会下滴,然后打开高压电源，对其施加一定的高压电场，熔体在电场作用下喷射出来，并被接收器接收揉合；此过程中，高压电场产生的电场力对石墨与聚合物产生拉伸作用，通过静电纺丝拉伸将石墨其剥离成为石墨烯，并均匀分散于聚合物中；重复拉伸3次以上，形成石墨烯分散均匀的丝状物；（3）将步骤（2）得到的丝状物通过螺杆挤出机挤压造粒，得到石墨烯增强母料。2.根据权利要求1所述一种通过静电纺丝拉伸制备石墨烯增强母料的方法，其特征在于：步骤（1）所述N,N-二甲基乙酰胺与去离子水的混合溶液的体积浓度为50~70%。3.根据权利要求1所述一种通过静电纺...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，王镭迪，曾军堂，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51