一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的制备方法技术

一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的制备方法，它涉及一种聚合物基超材料的制备方法。本发明专利技术的目的是要解决现有聚合物基超材料不能通过化学合成法合成，制备成本高和制备的聚合物基超材料机械性能差的问题。方法：一、制备氧化石墨烯；二、制备混合溶液；三、干燥；四、退火处理；五、混合，梯度升温，得到聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料。本发明专利技术制备的聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料在频率为2赫兹时介电常数为‑128～‑50000。本发明专利技术可获得一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料。

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的制备方法
本专利技术涉及一种聚合物基超材料的制备方法。
技术介绍
介电常数和磁导率是表征材料电磁属性的最为基本物理参量。常规材料的介电常数和磁导率均为正，但刚科学家通过构造周期性结构阵列，利用谐振获得负的电磁性能，其介电常数和磁导率均为负值或其中一个为负值时，材料将表现出许多新颖的电磁性能，如负折射效应等，这些独特的性能使得材料在隐身、通讯、微波吸收及无线电力传输等领域具有特殊应用前景，这种材料被称之为超材料，目前已经成为国际学术研究热点。但是通常构建阵列型超材料的性能与结构单元的尺寸及排列方式有关，其为不同于传统材料的人工电磁介质，设计加工成本高、精度差、且尺寸难于微纳米化，应用频段特定，因此限制了其具体的应用，该材料多数停留在学术研究范畴，通过化学法可控合成超材料一直为该领域学者的梦想。关于单独负介电常数的超材料，目前已有学者通过绝缘基体与金属等高导电材料复合构建逾渗网络来实现。但为了构建逾渗网络需大量添加金属等导电材料，这将使复合材料的拉伸强度与断裂伸长率，超过50％以上的降低，严重损害了复合材料的力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有聚合物基超材料不能通过化学合成法合成，制备成本高和制备的聚合物基超材料机械性能差的问题，而提供聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料。一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的制备方法，是按以下步骤完成的：一、制备氧化石墨烯：①、将天然石墨和高锰酸钾加入到质量分数为98％的硫酸中，再在冰浴和搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌1h～2h，得到混合物A；步骤一①中所述的天然石墨和高锰酸钾的质量比为1:5；步骤一①中所述的天然石墨的质量与质量分数为98％的硫酸的体积比为1g：60mL～100mL；②、将混合物A加热至35℃，再在温度为35℃下保温1h，再向混合物A中加入去离子水，再将加入去离子水的混合物升温至90℃～95℃，再在温度为90℃～95℃下保温30min～35min，得到混合物B；步骤一②中所述的混合物A与去离子水的体积比为1:1；③、将混合物B自然冷却至室温，再将质量分数为35％的H2O2溶液加入到混合物B中，室温下在搅拌速度为100r/min～300r/min下反应10min，得到氧化石墨烯水溶液；将氧化石墨烯水溶液在3000r/min～3500r/min的离心速度下进行离心分离，取离心后的上层清液；再将离心分离后得到的上层清液在8000r/min～8500r/min的离心速度下再次进行离心分离，取离心分离后的沉淀物质，再在温度为60℃～80℃下进行干燥1h～3h，得到氧化石墨烯；步骤一①中所述的天然石墨的质量与步骤一③中所述的质量分数为35％的H2O2溶液的体积比为1g:(5mL～6mL)；二、制备混合溶液：①、将步骤一③得到的氧化石墨烯溶解到水中，得到氧化石墨烯溶液；步骤二①中所述的氧化石墨烯溶液的浓度为5g/L～15g/L；②、向氧化石墨烯溶液中加聚合物或金属氯化物，再在搅拌速度为500r/min～1000r/min下搅拌反应1h～2h，再进行超声分散1h～2h，得到深色混合溶液；步骤二②中所述的深色混合溶液中聚合物或金属氯化物与氧化石墨烯的质量比为(8～10):(1～10)；步骤二②中所述的聚合物为水溶性聚合物或非水溶性聚合物；三、干燥：将步骤二②中得到的深色混合溶液在搅拌和温度为130℃～180℃的条件下进行喷雾干燥或在-50℃-55℃下冷冻干燥，得到浅黄色蓬松粉末；四、退火处理：①、将步骤三得到的浅黄色蓬松粉末放入管式炉中，再在惰性气体保护下将管式炉以3℃/min～5℃/min的升温速率从室温升至180℃～240℃，保温50min～80min，再以3℃/min～5℃/min的升温速率从180℃～240℃升至750℃～800℃，保温120min～150min，最后以5℃/min～8℃/min的降温速率从750℃～800℃降至180℃～240℃，程序停止，自然降温至室温，退火处理结束，得到黑色粉末；②、首先使用浓度为0.1mol/L的盐酸对黑色粉末清洗1次～2次，再使用去离子水对黑色粉末清洗2次～3次，再进行抽滤，再在温度为75℃～85℃下干燥5h～10h，得到三维多孔石墨烯粉末；③、将三维多孔石墨烯粉末溶解到有机溶剂中，得到浓度为5mg/mL～10mg/mL的三维多孔石墨烯溶液；五、制备超材料：①、将高分子聚合物置于温度为70℃～90℃的烘箱中干燥处理6h～9h，得到干燥的高分子聚合物；步骤五①中所述的高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯；②、将干燥的高分子聚合物加入到浓度为5mg/mL～10mg/mL的三维多孔石墨烯溶液中，再在温度为45℃～55℃和搅拌速度为100r/min下搅拌反应7h～9h，得到粘稠状混合溶液；步骤五②中所述的干燥的高分子聚合物的质量与浓度为5mg/mL～10mg/mL的三维多孔石墨烯溶液的体积比为(0.4g～0.95g):10mL；③、将粘稠状混合溶液在超声功率为100W～500W下超声3h～5h，得到包含高分子聚合物与三维多孔石墨烯溶液的混合液；④、将包含高分子聚合物与三维多孔石墨烯溶液的混合液旋涂或滴加至洁净的玻璃培养皿中，再在温度为70℃～80℃干燥8h～12h，将干燥的块体；将干燥的块体在温度为120℃～170℃下熔融2h～10h，最后在温度为120℃～150℃和压力为10MPa～30MPa下热压1h～2h得到聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料；步骤五④中所述的聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的厚度为50μm-100μm。本专利技术的原理及优点：一、本专利技术采用聚合物或金属氯化物为模板，制备具有微纳结构的三维多孔石墨烯粉末；其次通过化学原位聚合法获得共混法制备聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料；通过调控三维多孔石墨烯的含量获得具有负介电常数的聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料；二、本专利技术与传统的通过刻蚀等微纳加工技术制备的超材料方法相比，工艺简单，成本低廉易于放大工业化生产；三、本专利技术制备的聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料中引入少量的三维多孔石墨烯，即添加少量的碳材料，在实现负的介电常数的同时未劣化复合材料的机械性能等综合力学性能；四、本专利技术制备的聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料易于加工，这种可控的负介电聚合物基复合材料，未来可广泛应用于隐身、完美透镜与通讯等领域，对拓展制备聚合物基超材料制备的新方法具有重要意义；五、本专利技术制备的聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料在频率为2赫兹时介电常数为-128～-50000。本专利技术可获得一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料。附图说明图1为实施例一步骤四②制备的三维多孔石墨烯粉末的SEM图；图2为实施例一制备的聚偏氟乙烯与三维多孔石墨烯复合的超材料的介电性能图；图3为实施例二制备的聚乙烯与三维多孔石墨烯复合的超材料的介电性能图；图4为实施例三制备的聚丙烯与三维多孔石墨烯复合的超材料的介电性能图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式是一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、制备氧化石墨烯：①、将天然石墨和高锰酸钾加入到质量分数为98％的硫酸中，再在冰浴和搅拌速度为300r/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的制备方法，其特征在于一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、制备氧化石墨烯：①、将天然石墨和高锰酸钾加入到质量分数为98％的硫酸中，再在冰浴和搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌1h～2h，得到混合物A；步骤一①中所述的天然石墨和高锰酸钾的质量比为1:5；步骤一①中所述的天然石墨的质量与质量分数为98％的硫酸的体积比为1g：60mL～100mL；②、将混合物A加热至35℃，再在温度为35℃下保温1h，再向混合物A中加入去离子水，再将加入去离子水的混合物升温至90℃～95℃，再在温度为90℃～95℃下保温30min～35min，得到混合物B；步骤一②中所述的混合物A与去离子水的体积比为1:1；③、将混合物B自然冷却至室温，再将质量分数为35％的H2O2溶液加入到混合物B中，室温下在搅拌速度为100r/min～300r/min下反应10min，得到氧化石墨烯水溶液；将氧化石墨烯水溶液在3000r/min～3500r/min的离心速度下进行离心分离，取离心后的上层清液；再将离心分离后得到的上层清液在8000r/min～8500r/min的离心速度下再次进行离心分离，取离心分离后的沉淀物质，再在温度为60℃～80℃下进行干燥1h～3h，得到氧化石墨烯；步骤一①中所述的天然石墨的质量与步骤一③中所述的质量分数为35％的H2O2溶液的体积比为1g:(5mL～6mL)；二、制备混合溶液：①、将步骤一③得到的氧化石墨烯溶解到水中，得到氧化石墨烯溶液；步骤二①中所述的氧化石墨烯溶液的浓度为5g/L～15g/L；②、向氧化石墨烯溶液中加聚合物或金属氯化物，再在搅拌速度为500r/min～1000r/min下搅拌反应1h～2h，再进行超声分散1h～2h，得到深色混合溶液；步骤二②中所述的深色混合溶液中聚合物或金属氯化物与氧化石墨烯的质量比为(8～10):(1～10)；步骤二②中所述的聚合物为水溶性聚合物或非水溶性聚合物；三、干燥：将步骤二②中得到的深色混合溶液在搅拌和温度为130℃～180℃的条件下进行喷雾干燥或在‑50℃‑55℃下冷冻干燥，得到浅黄色蓬松粉末；四、退火处理：①、将步骤三得到的浅黄色蓬松粉末放入管式炉中，再在惰性气体保护下将管式炉以3℃/min～5℃/min的升温速率从室温升至180℃～240℃，保温50min～80min，再以3℃/min～5℃/min的升温速率从180℃～240℃升至750℃～800℃，保温120min～150min，最后以5℃/min～8℃/min的降温速率从750℃～800℃降至180℃～240℃，程序停止，自然降温至室温，退火处理结束，得到黑色粉末；②、首先使用浓度为0.1mol/L的盐酸对黑色粉末清洗1次～2次，再使用去离子水对黑色粉末清洗2次～3次，再进行抽滤，再在温度为75℃～85℃下干燥5h～10h，得到三维多孔石墨烯粉末；③、将三维多孔石墨烯粉末溶解到有机溶剂中，得到浓度为5mg/mL～10mg/mL的三维多孔石墨烯溶液；五、制备超材料：①、将高分子聚合物置于温度为70℃～90℃的烘箱中干燥处理6h～9h，得到干燥的高分子聚合物；步骤五①中所述的高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯；②、将干燥的高分子聚合物加入到浓度为5mg/mL～10mg/mL的三维多孔石墨烯溶液中，再在温度为45℃～55℃和搅拌速度为100r/min下搅拌反应7h～9h，得到粘稠状混合溶液；步骤五②中所述的干燥的高分子聚合物的质量与浓度为5mg/mL～10mg/mL的三维多孔石墨烯溶液的体积比为(0.4g～0.95g):10mL；③、将粘稠状混合溶液在超声功率为100W～500W下超声3h～5h，得到包含高分子聚合物与三维多孔石墨烯溶液的混合液；④、将包含高分子聚合物与三维多孔石墨烯溶液的混合液旋涂或滴加至洁净的玻璃培养皿中，再在温度为70℃～80℃干燥8h～12h，将干燥的块体；将干燥的块体在温度为120℃～170℃下熔融2h～10h，最后在温度为120℃～150℃和压力为10MPa～30MPa下热压1h～2h得到聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料；步骤五④中所述的聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的厚度为50μm‑100μm。...

【技术特征摘要】
1.一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的制备方法，其特征在于一种聚合物与三维多孔石墨烯复合的超材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、制备氧化石墨烯：①、将天然石墨和高锰酸钾加入到质量分数为98％的硫酸中，再在冰浴和搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌1h～2h，得到混合物A；步骤一①中所述的天然石墨和高锰酸钾的质量比为1:5；步骤一①中所述的天然石墨的质量与质量分数为98％的硫酸的体积比为1g：60mL～100mL；②、将混合物A加热至35℃，再在温度为35℃下保温1h，再向混合物A中加入去离子水，再将加入去离子水的混合物升温至90℃～95℃，再在温度为90℃～95℃下保温30min～35min，得到混合物B；步骤一②中所述的混合物A与去离子水的体积比为1:1；③、将混合物B自然冷却至室温，再将质量分数为35％的H2O2溶液加入到混合物B中，室温下在搅拌速度为100r/min～300r/min下反应10min，得到氧化石墨烯水溶液；将氧化石墨烯水溶液在3000r/min～3500r/min的离心速度下进行离心分离，取离心后的上层清液；再将离心分离后得到的上层清液在8000r/min～8500r/min的离心速度下再次进行离心分离，取离心分离后的沉淀物质，再在温度为60℃～80℃下进行干燥1h～3h，得到氧化石墨烯；步骤一①中所述的天然石墨的质量与步骤一③中所述的质量分数为35％的H2O2溶液的体积比为1g:(5mL～6mL)；二、制备混合溶液：①、将步骤一③得到的氧化石墨烯溶解到水中，得到氧化石墨烯溶液；步骤二①中所述的氧化石墨烯溶液的浓度为5g/L～15g/L；②、向氧化石墨烯溶液中加聚合物或金属氯化物，再在搅拌速度为500r/min～1000r/min下搅拌反应1h～2h，再进行超声分散1h～2h，得到深色混合溶液；步骤二②中所述的深色混合溶液中聚合物或金属氯化物与氧化石墨烯的质量比为(8～10):(1～10)；步骤二②中所述的聚合物为水溶性聚合物或非水溶性聚合物；三、干燥：将步骤二②中得到的深色混合溶液在搅拌和温度为130℃～180℃的条件下进行喷雾干燥或在-50℃-55℃下冷冻干燥，得到浅黄色蓬松粉末；四、退火处理：①、将步骤三得到的浅黄色蓬松粉末放入管式炉中，再在惰性气体保护下将管式炉以3℃/min～5℃/min的升温速率从室温升至180℃～240℃，保温50min～80min，再以3℃/min～5℃/min的升温速率从180℃～240℃升至750℃～800℃，保温120min～150min，最后以5℃/min～8℃/min的降温速率从750℃～800℃降至180℃～240℃，程序停止，自然降温至室温，退火处理结束，得到黑色粉末；②、首先使用浓度为0.1mol/L的盐酸对黑色粉末清洗1次～2次，再使用去离子水对黑色粉末清洗2次～3次，再进行抽滤，再在温度为75℃～85℃下干燥5h～10h，得到三维多孔石墨烯粉末；③、将三维多孔石墨烯粉末溶解到有机溶剂中，得到浓度为5mg/mL～10mg/mL的三维多孔石墨烯溶液；五、制备超材料：①、将高分子聚合物置于温度为70℃～90℃的烘箱中干燥处理6h～9h，得到干燥的高分子聚合物；步骤五①中所述的高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯；②、将干燥的高分子聚合物加入到浓度为5mg/mL～10mg/mL的三维多孔石墨烯溶液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓旭，朱波，晁栋梁，闫凯，岳东，李彦鹏，
申请(专利权)人：黑龙江科技大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23