聚合物-石墨烯纳米复合材料制造技术

本文提供涉及聚合物-石墨烯纳米复合材料，并且具体地但非排他地涉及用于使用包含石墨烯和聚合物或聚合物前体的母料产生聚合物-石墨烯纳米复合材料的方法的技术。所得到的聚合物-石墨烯纳米复合材料包含在所述聚合物基质内高度剥离和分散的石墨烯纳米片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】聚合物-石墨稀纳米复合材料本申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请序列号61/787,407的优先 权，所述临时专利申请以引用的方式整体并入本文。 专利
本文提供涉及聚合物-石墨烯纳米复合材料，并且具体地但非排他地涉及用于使 用包含聚合物的母料产生聚合物-石墨烯纳米复合材料的方法的技术。所得到的聚合物-石 墨稀纳米复合材料包含在聚合物基质内高度剥离和分散的石墨稀纳米片。 背景 在理想化的实验中已经显示石墨烯纳米片可提升重要商业用途的聚合物的多种 重要功能性。例如，聚合物-石墨烯纳米复合材料展示出提升的机械性、导电性、导热性、气 体/蒸汽阻挡性以及阻燃性。因此，近年来，由分散在聚合物基质中的石墨烯组成的聚合物_ 石墨烯纳米复合材料已经成为大量研究和开发活动的主题。尽管相当数量的这种类型的聚 合物纳米复合材料已开发和/或商业化，但是常规聚合物纳米复合材料受到与石墨烯次优 剥离和分散在聚合物基质中从而减弱这些期望的性能属性相关的限制。例如，当在典型的 配混条件下使用挤出机和常规填充机使呈粉末形式的石墨烯与聚合物熔融共混时，所得的 复合材料表现出石墨烯在聚合物基质中的次优剥离和分散。因此，材料具有远低于所预测 将由石墨烯提供的性能增强的理论量值的性能特性。已开发出用于通过使用溶剂体系来进 行石墨烯的溶剂剥离来产生高剥离溶液、分散液、淤浆或湿滤饼的技术。尽管可将这些材料 与聚合物溶液或聚合物分散液共同分散，接着移除溶剂以产生具有纳米材料的改善剥离和 分散的聚合物纳米复合材料，但是由于纳米材料的不完全剥离和分散，这些复合材料的性 能属性也通常低于理论水平。 概述 因此，本文提供涉及具有高度剥离和分散的聚合物-石墨烯纳米复合材料的技术。 具体来说，在本技术的实施方案的开发过程中收集的数据展示出令人惊讶的结果:如果石 墨烯通过包含石墨烯和聚合物的母料递送，那么可在通过常规熔融共混方法制造的石墨 烯/聚合物复合材料中实现石墨烯纳米片的高度剥离和分散。具体来说，本技术包括使用确 切地根据本文描述的技术的方法实施方案制备的母料。 例如，令人惊讶地发现PVP、相关的吡咯烷酮和内酰胺聚合物以及宽范围的商业聚 合物(例如，聚丙烯酰胺例如像聚-N，N_二甲基丙烯酰胺均聚物和共聚物)可容纳高达50重 量％的石墨烯负载，同时维持高度剥离和分散。这些高负载的石墨烯/聚合物母料可使用常 规聚合物熔融加工技术稀释以产生含有在1重量％至20重量％范围内的高度剥离的石墨烯 水平的石墨烯聚合物纳米复合材料。这些材料拥有远超于由常规加工方法制造的那些类似 石墨烯/聚合物纳米复合材料的机械性、导电性以及蒸汽阻挡性。 例如，本技术的实施方案提供用于制造聚合物纳米复合材料的母料组合物，所述 母料组合物包含聚合物和至少20重量％的石墨烯。在一些实施方案中，母料包含至少30重 量％的石墨烯、至少40重量％的石墨烯、至少50重量％的石墨烯、至少大于50重量％的石墨 烯。在一些实施方案中，石墨烯为原始石墨烯，并且在一些实施方案中，石墨烯为剥离的石 墨烯。用于产生母料的技术在所使用的聚合物上不受限制。在一些实施方案中，用于制造母 料的聚合物是与用于制造聚合物纳米复合材料相同的聚合物。在一些实施方案中，用于制 造母料的聚合物在所述聚合物的反应性前体中剥离之后原位制备。在一些实施方案中，用 于制造母料的聚合物与用于制造聚合物纳米复合材料的聚合物不同。可用于母料中的示例 性聚合物为聚（乙烯基吡咯烷酮）。 在一些实施方案中，使用剥离的石墨烯原位形成聚（乙烯基吡咯烷酮）。例如，在一 些实施方案中，使用可聚合的前体N-乙烯基吡咯烷酮剥离石墨烯并且然后聚合N-乙烯基吡 咯烷酮前体/石墨烯组合物以形成包含剥离的石墨烯的聚（乙烯基吡咯烷酮）。因此，本技术 的实施方案涉及包含石墨烯和聚（乙烯基吡咯烷酮）的母料组合物。在一些实施方案中，母 料组合物包含以1:1至1:10的重量比的石墨烯和聚（乙烯基吡咯烷酮）。 可用于母料中的其他示例性聚合物包括热塑性聚合物例如像高密度聚乙烯、低密 度聚乙烯、聚碳酸酯以及聚丙烯。因此，本技术的实施方案涉及包含石墨烯和热塑性聚合物 的母料组合物。在一些实施方案中，母料组合物包含以1:1至1:5的重量比的石墨烯和热塑 性聚合物。在一些实施方案中，母料包含平均厚度小于10个原子层的石墨稀，最小5%的石墨 烯为单一原子层石墨烯，并且石墨烯的氧含量小于1%。在一些实施方案中，母料包含平均 厚度小于5个原子层的石墨烯，最小10%的石墨烯为单一原子层石墨烯，并且石墨烯的氧含 量小于1%。在一些实施方案中，母料包含平均厚度小于3个原子层的石墨烯，最小20%的石 墨烯为单一原子层石墨烯，并且石墨烯的氧含量小于0.5%。在一些实施方案中，小于10% 的石墨稀纳米片具有小于0.5微米的最大直径。 此外，在包含聚（乙烯基吡咯烷酮）的母料组合物的一些实施方案中，聚（乙烯基吡 咯烷酮)具有小于或等于约10,000u的数均分子量。 本技术涉及聚合物纳米复合材料，例如，使用本文提供的母料技术制造的聚合物 纳米复合材料。本母料技术允许人们制造相对于常规技术改进的，在聚合物基质内具有一 定量石墨烯和石墨烯分布的聚合物纳米复合材料。例如，实施方案提供包含聚合物和石墨 烯的聚合物纳米复合材料，所述聚合物纳米复合材料通过包括以下步骤的方法来产生:提 供如本文所述的母料组合物;并且将一些或所有母料与聚合物混合以提供聚合物纳米复合 材料。在一些实施方案中，方法包括熔融共混例如以混合聚合物和母料。一些实施方案提供 进一步加工聚合物纳米复合材料，如包括挤出聚合物纳米复合材料的实施方案。本文提供 的聚合物纳米复合材料的实施方案包含〇. 5重量％至50重量％的石墨烯。 本技术还提供涉及制造用于产生聚合物纳米复合材料的母料组合物的方法的实 施方案，所述方法包括将溶剂系统中的石墨烯的淤浆与聚合物混合;并且去除溶剂系统以 产生包含15%至60% (例如，35%至50%)石墨烯的母料。在一些实施方案中，混合为高剪切 混合。在一些实施方案中，聚合物为聚（乙烯基吡咯烷酮）、聚丙烯酰胺或热塑性聚合物。在 根据本技术产生的母料中提供石墨烯;例如，通过在吡咯烷酮(例如，N-烷基-吡咯烷酮(例 如，N-甲基吡咯烷酮）、N-烯基-吡咯烷酮(例如，N-乙烯基吡咯烷酮)等）中处理石墨以产生 在吡咯烷酮中的溶剂剥离的石墨烯;去除大部分的吡咯烷酮以产生吡咯烷酮中的浓缩石墨 烯溶液或分散液;并且将溶剂添加至吡咯烷酮中的石墨烯中以产生溶剂系统中的石墨烯的 淤浆来产生石墨烯的淤浆。用于本技术的溶剂系统中的示例性溶剂为二甲苯或甲醇。在一 些实施方案中，吡咯烷酮为可聚合的吡咯烷酮(例如，N-烯基吡咯烷酮如N-乙烯基吡咯烷 酮），所述可聚合的吡咯烷酮通过聚合以形成聚合物如聚（乙烯基吡咯烷酮）而从组合物中 去除。 在一些实施方案中，吡咯烷酮中的石墨烯的浓缩溶液或分散液包含2%至8%的石 墨烯。本技术在去除溶剂的方法上不受限制，例如，在一些实施方案中使用过滤来去除吡咯 烷酮。如上，在一些实施方案中，通过聚合以形成聚合物例如聚（乙烯基吡咯烷酮)将溶剂转 化来去除溶剂。在一些实施方案中，可使用反应性剥离溶剂的混合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造聚合物纳米复合材料的母料组合物，所述母料组合物包含聚合物和至少15重量％的石墨烯。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：AD克劳斯，潘贵全，NR维特菲尔德特，MC霍尔，DD塔夫特，
申请(专利权)人：瑞来斯实业公司，
类型：发明
国别省市：印度;IN