專利名稱：一種石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物納米復合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯首次被發(fā)現(xiàn)是在2004年，由K.S.Novoselov和A.K.Geim等利用微機械分離的方法制備了穩(wěn)定的片層狀石墨烯。自此之后，在最近的幾年內(nèi)，關(guān)于石墨烯的研究得到了全面的重視。石墨烯是由單層碳原子堆積而成的二維結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為六角蜂巢狀，其具有大的比表面積、優(yōu)異的電學、力學、熱學性能等，這些都使得石墨烯成為了較為理想的聚合物填料。但是石墨烯較高的表面能使得其在聚合物基體和溶劑中易團聚，對其性能造成不良影響，所以在制備復合物的過程中，解決石墨烯的分散問題成為研究中的重點。常用的實驗手段有溶液共混，熔融共混和原位聚合。近年來，已有不少文獻報道過石墨烯/聚丙烯基導電復合材料，An等采用雙螺桿熔融共混擠出的方法制備了 EG/PP 導電納米復合材料(An J E, Jeon G W，Jeong Y G.Preparation and properties ofpolypropylene nanocomposites reinforced with exfoliated graphene[J].Fibers andPolymers, 2012，13(4):507-514.)；Li等利用溶液共混法得到了 GnPs/PP導電復合材料(LiY, Zhu J, Wei S，et al.Poly (propylene)/Graphene Nanoplatelet Nanocomposites:MeltRheological Behavior and Thermal, Electrical, and Electronic Properties [J].Macromolecular Chemistry and Physics, 2011，212 (18): 1951-1959.)。這些方法雖然制備出了導電性能較好的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料，但也并不都是完美的，如實驗操作手段復 雜，得到的復合物導電滲流閾值較高等等。因此，探尋一種簡潔易行的實驗方法，并能同時得到低滲流閾值、導電性能良好的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料將對生產(chǎn)應用具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低滲流閾值導電性能良好的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料及其制備方法。本發(fā)明所述的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料，以質(zhì)量和為100份計算，含有92.5 97.5質(zhì)量份的聚丙烯(作為基體)、I 3質(zhì)量份的石墨烯(作為導電填料)和1.5
4.5質(zhì)量份的馬來酸酐接枝聚丙烯(促進石墨烯的分散)，通過溶液共混后熱壓得到。本發(fā)明所述的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料，是指以聚丙烯基體為連續(xù)相，以納米尺寸的石墨烯為分散相，通過以下實驗手段將石墨烯均勻地分散于聚丙烯中，形成一相含有納米尺寸材料的復合體系。所有實施例中所涉及到的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料，均與此定義相同。本發(fā)明所述的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料的制備方法，其步驟如下:(I)石墨烯分散液的制備
將1.0 3.0質(zhì)量份的石墨烯加入到100 600質(zhì)量份的二甲苯中，在常溫下超聲分散3 5h,制得石墨烯分散液；(2)聚合物溶液的制備將1.5 4.5質(zhì)量份的馬來酸酐接枝聚丙烯和92.5 97.5質(zhì)量份的聚丙烯溶于600 800質(zhì)量份的二甲苯中，在110 140° C條件下機械攪拌、溶液共混形成連續(xù)均一的聚合物溶液；(3)石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料的制備將步驟1)的石墨烯分散液加入到步驟(2)的聚合物溶液中，補加二甲苯，控制整個混合體系的濃度為0.5 lg/10ml,在溫度不變的前提下繼續(xù)機械攪拌4 6h,趁熱將上述混合物倒入大過量的無水乙醇中(無水乙醇質(zhì)量份為二甲苯質(zhì)量份的20 50倍)，過濾產(chǎn)物后再用無水乙醇洗滌3 5遍，于50 60° C烘箱中干燥10 15h，將得到的產(chǎn)物在210 240° C、9 IOMPa的條件下進行熱壓，得到石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料。通過改變石墨烯在復合物體系中的質(zhì)量分數(shù)，得到一系列不同比例的石墨烯/聚丙烯導電納米復合 材料。制備的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料可用于導電材料、電磁屏蔽材料、抗靜電材料等領(lǐng)域。性能測試石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料的電學性能分為直流電性能、交流電性能及介電性能。直流電性能采用數(shù)字萬用表FLUCK17B和Agilent4339B型高阻計進行測試。交流電性能及介電性能采用Agilent4294A精密阻抗分析儀進行測試。測試結(jié)果見圖1 圖3。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點:1.本發(fā)明采用令聚丙烯和馬來酸酐接枝聚丙烯混合形成均相共容體系以促進石墨烯的分散，利用無水乙醇出料，無水乙醇廉價易得，降低成本。2.制得的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料滲流閾值低，電性能良好。


圖1:實施例1 6制備的不同石墨烯含量的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料及對比例I制備的純 聚丙烯材料的直流體積電導率曲線圖。從圖1中可看出，純聚丙烯是絕緣材料，在添加石墨烯后得到的石墨烯/聚丙烯納米復合材料的直流體積電導率提高，實現(xiàn)了從絕緣體到導體的轉(zhuǎn)變。在圖1的內(nèi)嵌圖中，通過滲流理論公式σζσοΚφ-φ。:^,)]1給出了滲流閾值線性擬合曲線，復合材料的導電滲流閾值-2wt%..
圖2:實施例1 6制備的不同石墨烯含量的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料及對比例I制備的純聚丙烯材料的交流體積電導率曲線圖。在同一頻率下，復合材料的交流體積電導率隨石墨烯含量的增加而升高；當石墨烯的含量超過1.5wt%時，復合材料的交流體積電導率基本不隨頻率而變化。圖3:實施例1 6制備的不同石墨烯含量的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料及對比例I制備的純聚丙烯材料的介電常數(shù)曲線圖。當石墨烯含量為1.5被％時，復合材料的介電常數(shù)約為純聚丙烯材料的10倍。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發(fā)明的方法進行說明，所述的實施例只是對本發(fā)明的權(quán)利要求的具體描述，權(quán)利要求包括但不限于所述的實施例內(nèi)容。下述實施例中所述的試劑和材料如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得；所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法。實施例1.制備石墨烯含量為1.0wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料將0.0lg的石墨烯分散于Iml的二甲苯中，在常溫下于超聲波處理器中超聲分散3h，制得石墨烯分散液。將0.975g聚丙烯和0.015g馬來酸酐接枝聚丙烯加入到8ml 二甲苯中，110° C下機械攪拌、溶液共混形成連續(xù)均一的聚合物溶液。將上述石墨烯分散液加入到上述聚合物溶液中，補加二甲苯lml，控制整個混合體系的濃度為lg/10ml。在溫度不變的前提下繼續(xù)機械攪拌4h，趁熱將上述混合物倒入200ml的無水乙醇中，過濾產(chǎn)物后再用無水乙醇洗滌3遍，抽濾后將上述產(chǎn)物于50° C烘箱中干燥10h，將得到的產(chǎn)物在210° C、9MPa的條件下進行熱壓，得到石墨烯質(zhì)量含量為1.0%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料。復合材料的直流電導率列于表I中。實施例2.制備石墨烯含量為1.3wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料將0.013g的石墨烯分散于1.5ml的二甲苯中，在常溫下于超聲波處理器中超聲分散3h，制得石墨烯分散液。將0.9675g的聚丙烯和0.0195g的馬來酸酐接枝聚丙烯加入到6.5ml 二甲苯中，120° C下機械攪拌、溶液共混形成連續(xù)均一的聚合物溶液。將上述石墨烯分散液加入到上述聚合物溶液中，補加二甲苯3ml，控制整個混合體系的濃度約為
0.91g/10ml。在溫度不變的前提下繼續(xù)機械攪拌4.5h，趁熱將上述混合物倒入250ml的無水乙醇中，過濾產(chǎn)物后再用無水乙醇洗滌3遍，抽濾后將上述產(chǎn)物于50° C烘箱中干燥llh，將得到的產(chǎn)物在215° C、9MPa的條件下進行熱壓，得到石墨烯含量為1.3被％的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料。復合 材料的直流電導率列于表I中。實施例3.制備石墨烯含量為1.5wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料將0.015g的石墨烯分散于2ml的二甲苯中，在常溫下于超聲波處理器中超聲分散4h，制得石墨烯分散液。將0.9625g的聚丙烯和0.0225g的馬來酸酐接枝聚丙烯加入到6ml二甲苯中，125° C下機械攪拌、溶液共混形成連續(xù)均一的聚合物溶液。將上述石墨烯分散液加入到上述聚合物溶液中，補加二甲苯4ml，控制整個混合體系的濃度為0.83g/10ml。在溫度不變的前提下繼續(xù)機械攪拌5h，趁熱將上述混合物倒入280ml的無水乙醇中，過濾產(chǎn)物后再用無水乙醇洗滌3遍，抽濾后將上述產(chǎn)物于55° C烘箱中干燥12h，將得到的產(chǎn)物在220° C、9.5MPa的條件下進行熱壓，得到石墨烯含量為1.5wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料。復合材料的直流電導率列于表I中。實施例4.制備石墨烯含量為2.0wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料將0.02g的石墨烯分散于3.5ml的二甲苯中，在常溫下于超聲波處理器中超聲分散4.5h，制得石墨烯分散液。將0.95g的聚丙烯和0.03g的馬來酸酐接枝聚丙烯加入到7ml二甲苯中，130° C下機械攪拌、溶液共混形成連續(xù)均一的聚合物溶液。將上述石墨烯分散液加入到上述聚合物溶液中，補加二甲苯4.5ml，控制整個混合體系的濃度為0.67g/10ml。在溫度不變的前提下繼續(xù)機械攪拌5.5h，趁熱將上述混合物倒入350ml的無水乙醇中，過濾產(chǎn)物后再用無水乙醇洗滌4遍，抽濾后將上述產(chǎn)物于50° C烘箱中干燥14h，將得到的產(chǎn)物在225° CUOMPa的條件下進行熱壓，得到石墨烯含量為2.0wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料。復合材料的直流電導率列于表I中。實施例5.制備石墨烯含量為2.5wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料將0.025g的石墨烯分散于5ml的二甲苯中，在常溫下于超聲波處理器中超聲分散5h，制得石墨烯分散液。將0.9375g的聚丙烯和0.0375g的馬來酸酐接枝聚丙烯加入到6ml二甲苯中，135° C下機械攪拌、溶液共混形成連續(xù)均一的聚合物溶液。將上述石墨烯分散液加入到上述聚合物溶液中，補加二甲苯6ml,控制整個混合體系的濃度為0.59g/10ml。在溫度不變的前提下繼續(xù)機械攪拌6h，趁熱將上述混合物倒入400ml的無水乙醇中，過濾產(chǎn)物后再用無水乙醇洗滌5遍，抽濾后將上述產(chǎn)物于60° C烘箱中干燥15h，將得到的產(chǎn)物在230° CUOMPa的條件下進行熱壓，得到石墨烯含量為2.5wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料。復合材料的直流電導率列于表I中。實施例6.制備石墨烯含量為3.0wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料將0.03g的石墨烯分散于6ml的二甲苯中，在常溫下于超聲波處理器中超聲分散5h，制得石墨烯分散液。將0.925g的聚丙烯和0.045g的馬來酸酐接枝聚丙烯加入到6ml二甲苯中，140° C下機械攪拌、溶液共混形成連續(xù)均一的聚合物溶液。將上述石墨烯分散液加入到上述聚合物溶液中，補加二甲苯8ml,控制整個混合體系的濃度為0.5g/10mL.在溫度不變的前提下繼續(xù)機械攪拌6h，趁熱將上述混合物倒入500ml的無水乙醇中，過濾產(chǎn)物后再用無水乙醇洗滌5遍，抽濾后將上述產(chǎn)物于60° C烘箱中干燥15h，將得到的產(chǎn)物在240° CUOMPa的條件下進行熱壓，得到石墨烯含量為3.0wt%的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料。復合材料的直流電導率列于表I中。對比例1.純聚丙烯材料將Ig聚丙烯加入到IOml 二甲苯中，120° C下機械攪拌5h形成連續(xù)均一的聚合物溶液。趁熱將上述聚合物溶液倒入200ml的無水乙醇中，過濾產(chǎn)物后再用無水乙醇洗滌3遍，抽濾后將上述產(chǎn)物于50° C烘箱中干燥12h，將得到的產(chǎn)物在210° C、9MPa的條件下進行熱壓，得到純聚丙烯材料。純聚丙烯材料的直流電導率列于表I中。通過室溫下直流體積電導率測試后，進行線性擬合得到石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料的滲流閾值為1.2wt%，擬合度R2=0.98954。表I實施例1 6及對比例I的測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種石墨烯/聚丙烯導電復合材料，其特征在于:以質(zhì)量和為100份計算，由92.5 97.5質(zhì)量份的聚丙烯、I 3質(zhì)量份的石墨烯和1.5 4.5質(zhì)量份的馬來酸酐接枝聚丙烯組成。
2.—種石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料的制備方法，其步驟如下: (1)石墨烯分散液的制備 將1.0 3.0質(zhì)量份的石墨烯加入到100 600質(zhì)量份的二甲苯中，在常溫下超聲分散3 5h,制得石墨烯分散液； (2)聚合物溶液的制備 將1.5 4.5質(zhì)量份的馬來酸酐接枝聚丙烯和92.5 97.5質(zhì)量份的聚丙烯溶于600 800質(zhì)量份的二甲苯中，在110 140° C條件下機械攪拌、溶液共混形成連續(xù)均一的聚合物溶液； (3)石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料的制備 將步驟(I)的石墨烯分散液加入到步驟(2)的聚合物溶液中，補加二甲苯，控制整個混合體系的濃度為0.5 lg/10ml,在溫度不變的前提下繼續(xù)機械攪拌4 6h,趁熱將上述混合物倒入大過量的無水乙醇中，過濾產(chǎn)物后再用無水乙醇洗滌3 5遍，于50 60° C烘箱中干燥10 15h，將得到的產(chǎn)物在210 240° C、9 IOMPa的條件下進行熱壓，得到石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料。
3.權(quán)利要求1所述的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料在導電材料、電磁屏蔽材料或抗靜電材料方面的應用。
全文摘要
一種石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料及其制備方法，屬于聚合物納米復合材料技術(shù)領(lǐng)域。以質(zhì)量和為100份計算，含有92.5～97.5質(zhì)量份的聚丙烯(作為基體)、1～3質(zhì)量份的石墨烯(作為導電填料)和1.5～4.5質(zhì)量份的馬來酸酐接枝聚丙烯(促進石墨烯的分散)，通過溶液共混后熱壓得到。通過改變石墨烯在復合物體系中的質(zhì)量分數(shù)，得到一系列不同比例的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料。制備的石墨烯/聚丙烯導電納米復合材料可用于導電材料、電磁屏蔽材料、抗靜電材料等領(lǐng)域。
文檔編號C08L51/06GK103232637SQ20131016068
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月4日
發(fā)明者王貴賓, 劉暢, 王宇遙, 翟春熙, 楊麗龍, 孫德山, 宮克難 申請人:吉林大學, 黑龍江鑫達企業(yè)集團高分子材料研發(fā)中心有限公司