一种石墨烯纳米膏制备复合材料的方法技术

本发明专利技术公开一种石墨烯膏制备复合材料的方法。该方法是将原始石墨加入低浓度的聚合物分散液中，采用液相剥离技术，以聚合物高分子为分散剂，成功制备的石墨烯纳米膏(20‑200mg/ml)，经刮涂、蒸发、喷涂等方法制备性能优异的石墨烯/聚合物纳米复合材料。该发明专利技术所述方法制备的石墨烯纳米膏具有高分散、高浓度、高稳定性等优点，通过成型干燥后制备石墨烯基复合材料，具有石墨烯分散均匀、制备过程简单等优点，为石墨烯基复合材料的制备提供了新的思路和技术方案。

A method of preparing composite materials with graphene nano paste

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯纳米膏制备复合材料的方法
本专利技术涉及复合材料的制备
，尤其是涉及一种石墨烯纳米膏制备复合材料的方法。
技术介绍
聚合物具有较低的质量密度、耐腐蚀、优异的可加工性能、成本低等优点，由此它在众多领域得到了广泛的应用。但是聚合物缺乏功能性，在一些需要材料具备功能性的领域，聚合物的使用便受到了限制。因而采用具备高导热高导电等优异特性的填料对聚合物改性，是拓宽其应用领域的有效途径。由于石墨烯具备优异的力学性能、导热性能、电学性能等，将其作为纳米填料加到聚合物基体中，可以有效提高聚合物的各项性能，因而将两者作为原料制备复合材料，不仅可以使复合材料具有优异的功能性，而且能够保持聚合物本身的某些优良特性。当前，液相剥离的方法是制备石墨烯分散液的有效的方法，包括超声剥离、化学插层剥离法、球磨剥离、高压喷射、高速剪切等，是一种连续、大规模生产石墨烯分散液的方法。例如，爱尔兰都柏林圣三一大学的Coleman等人最早利用超声剥离法在氮甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂里制备石墨烯，其浓度分别为0.01mg/mL(NatNanotechnol2008,3(9),563-568)。美国德州理工大学的Green等人利用超声剥离技术，以膨胀石墨为原料，在离子液体里剥离浓度高达5.8mg/mL(Carbon2019,142,261-268)。滕超等人利用大小球复合的技术规模化制备宏量的石墨烯分散液浓度为2.6mg/mL(AdvFunctMater2017,27(20),1700240)。尽管当前液相剥离技术能够制备高品质的石墨烯，但仍存在、浓度低、不能规模化生产等缺点，限制了高含量、高导热纳米复合材料的实际应用。基于此，开发一种高分散性、高稳定性连续、能连续大面积生产的方法来制备石墨烯纳米膏具有重要的意义。同时，一步法制备石墨烯/高分子材料纳米膏有利于高性能复合材料的制备，具有步骤简单，石墨烯分散均匀等特点，与当前的石墨烯复合材料的制备具有明显的区别。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种超高浓度、高产率、高稳定分散的石墨烯纳米膏及其复合材料的制备方法，以克服现有技术制备石墨烯分散液浓度低、产率低、稳定性差的问题及其制备复合材料步骤繁琐、分散性差的问题。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种石墨烯纳米膏制备复合材料的方法，具体步骤如下：(1)将固含量为0％-45％的聚合物分散到溶剂中，得到低浓度的聚合物分散液，超声0-30min，搅拌处理1-3h，搅拌速度为100-2000r/min；(2)将石墨粉加入到步骤(1)所得的低浓度的聚合物分散液中，超声30min-1h，搅拌处理12h-200h，搅拌速度200-4000r/min；(3)步骤(2)过程中，通过液相剥离，成功制备高浓度石墨烯纳米膏，最终制备得到的石墨烯/聚合物纳米膏的浓度为20-100mg/ml；(4)根据需求，将步骤(3)制备的石墨烯/聚合物纳米膏直接投入使用，或者采用不同的后续工艺制备成不同形状且具备功能性的石墨烯/聚合物复合材料。作为优选方式，所述聚合物采用聚酰胺、聚氯化铝、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、聚芳酯、聚碳酸酯、四氟乙烯、聚乙烯、聚对(间)苯二甲酸二烯丙酯、酚醛树脂、聚乙二醇、丙二醇、聚丙烯、聚异戊二烯、聚异丁烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、天然橡胶、丁腈橡胶等中的一种或者多种。作为优选方式，所述聚合物分散液的溶剂采用N-甲基吡咯烷酮、乙烯基吡咯烷酮、N-十二烷基吡咯烷酮、水、甲醇、乙醇、酞酸二甲酯、乙醇、丙酮、乙酸乙烯酯、二甲基亚砜、二氯代苯、氯仿、四氢呋喃、正辛基吡咯烷酮、环己基吡咯烷酮、二甲基咪唑酮、N-甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、环己烷、苯(甲)酸苄酯、异丙醇、丙烯酸正丁酯、乙二醇、甲苯、庚烷、戊烷、己烷、甲酰胺、二甲基甲酰胺等中的一种或者多种。作为优选方式，所述的石墨烯纳米膏制备复合材料，包括如下组分及其重量分数：石墨烯(2-20wt％)，聚合物(0-45wt％)，其余为溶剂。作为优选方式，所述石墨烯由原始石墨、膨胀石墨、可膨胀石墨等进行液相剥离制备。作为优选方式，所述液相机械剥离的石墨厚度在20层以下，石墨烯纳米片的平均尺寸在600nm左右。作为优选方式，所述后续工艺为刮涂法、滴涂法、旋涂涂布法、蒸发或干燥、冷却或凝固、固化、涂覆、煅烧、压缩成型、注射成型、喷涂、真空抽滤、辐照、过滤、热蒸镀法、喷墨打印法、丝网印刷法，凹版印刷法、静电纺丝法、电沉积法、界面沉积法等中的一种或多种。作为优选方式，所述制备不同形状的石墨烯/聚合物复合材料为薄膜、板材、管材、棒材、片材、异型材、丝状材料等中的一种或者多种。作为优选方式，所述的石墨烯/聚合物复合材料具有如下优异的功能性：力学性能、导热性能、导电性能、电磁屏蔽、光学性能、生物相容性能、吸附性能、催化性能、阻隔性能、吸波性能、耐摩擦性能、耐腐蚀性能、高透光率、高电子迁移、高表面积等中的一种或者多种。该方法制备得到的石墨烯/聚合物纳米膏具有超高浓度、高分散、高稳定性等特点，操作过程简单，可以一步制备得到石墨烯/聚合物纳米膏，减少了溶剂的使用量，降低了成本，便于运输，推动了石墨烯/聚合物复合材料在实际中的应用。附图说明图1为实施例中所得的石墨烯纳米膏的光学照片。图2为实施例1中获得的石墨烯纳米片的扫描电镜照片。图3为实施例1中获得的石墨烯纳米片的透射电镜照片。图4为实施例1中获得的石墨烯纳米片的透射电镜高分辨照片。图5为实施例1中获得的石墨烯/聚合物纳米复合薄膜的光学照片。具体实施方式实施例1(1)将固含量为1wt％的热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)加入到300mL的N-甲基吡咯烷酮溶液里，超声20min，在1500r/min下搅拌2h，使得TPU充分分散，得到低浓度的TPU分散液。(2)将12g的原始石墨加入到(1)中的分散液中，超声30min，在3000r/min下搅拌48h，可以制备得到寡层、高浓度的石墨烯纳米膏，如图1所示。(3)将(2)中的石墨烯纳米膏稀释，利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行表征，表明成功制备了寡层的石墨烯纳米片(SEG)，如图2和图3所示。图4高分分辨图片表明石墨烯纳米片的层数在3-10层，表明实验成功制备了寡层的石墨烯纳米片。(4)在(2)中采用液相剥离技术，以TPU高分子为分散剂，成功制备得到浓度为40mg/ml的高浓度的SEG/TPU纳米膏。(5)将(4)中的SEG/TPU纳米膏利用刮涂、蒸发等方法，制备得到性能优异的SEG/TPU纳米复合薄膜，如图5所示。所述的制备SEG/TPU纳米复合薄膜的工艺方法为刮涂法、蒸发或干燥、滴涂法、旋涂涂布法、涂覆、压缩成型、注射成型、喷涂、真空抽滤、热蒸镀法、喷墨打印法、电沉积法等中的一种或者多种。所述的SEG/TPU纳米复合薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯纳米膏制备复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤:/n(1)将固含量为0wt％-45wt％的聚合物分散到溶剂中，得到低浓度的聚合物分散液，超声0-30min，搅拌处理1-3h，搅拌速度为100-2000r/min；/n(2)将石墨粉加入到步骤(1)所得的低浓度的聚合物分散液中，超声30min-1h，搅拌处理12h-200h，搅拌速度200-4000r/min；/n(3)步骤(2)过程中，通过液相剥离，成功制备高浓度石墨烯纳米膏，最终制备得到的石墨烯/聚合物纳米膏的浓度为20-200mg/ml；/n(4)根据需求，将步骤(3)制备的石墨烯/聚合物纳米膏直接投入使用，或者采用不同的后续工艺制备成不同形状且具备功能性的石墨烯/聚合物复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯纳米膏制备复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)将固含量为0wt％-45wt％的聚合物分散到溶剂中，得到低浓度的聚合物分散液，超声0-30min，搅拌处理1-3h，搅拌速度为100-2000r/min；
(2)将石墨粉加入到步骤(1)所得的低浓度的聚合物分散液中，超声30min-1h，搅拌处理12h-200h，搅拌速度200-4000r/min；
(3)步骤(2)过程中，通过液相剥离，成功制备高浓度石墨烯纳米膏，最终制备得到的石墨烯/聚合物纳米膏的浓度为20-200mg/ml；
(4)根据需求，将步骤(3)制备的石墨烯/聚合物纳米膏直接投入使用，或者采用不同的后续工艺制备成不同形状且具备功能性的石墨烯/聚合物复合材料。


2.根据权利1所述的石墨烯纳米膏制备复合材料，其特征在于，步骤(1)中，所述聚合物采用聚酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、聚芳酯、聚碳酸酯、四氟乙烯、聚乙烯、聚对(间)苯二甲酸二烯丙酯、酚醛树脂、聚乙二醇、丙二醇、聚丙烯、聚异戊二烯、聚异丁烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚氯化铝、聚偏二氟乙烯、天然橡胶、丁腈橡胶等中的一种或者多种。


3.根据权利1所述的石墨烯纳米膏制备复合材料，其特征在于，步骤(1)中，所述聚合物分散液的溶剂采用N-甲基吡咯烷酮、乙烯基吡咯烷酮、N-十二烷基吡咯烷酮、水、甲醇、乙醇、酞酸二甲酯、乙醇、丙酮、乙酸乙烯酯、二甲基亚砜、二氯代苯、氯仿、四氢呋喃、正辛基吡咯烷酮、环己基吡咯烷酮、二甲基咪唑酮、N-甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、环己烷、苯(甲)酸苄酯、异丙醇、丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕超，刘健，苏立颖，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37