一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料及其制备方法，该复合材料由纸团状石墨烯微球和浇铸尼龙组合而成。这种复合材料是通过首先制备纸团状石墨烯微球，再与己内酰胺熔体混合，浇铸聚合而成。所得纸团状石墨烯微球具有良好的力学性能和弹性，能有效吸收冲击，稳定性强，添加至浇铸尼龙中分散性好，纸团状结构降低了石墨烯的堆叠，提高了整体的稳定性。在施加外力的情况下石墨烯微球可充分吸收应力，并且可以提高材料整体的润滑性。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料领域，涉及一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种单原子厚度的二维单层层状材料，由碳六元环组合而成。石墨烯自身拥有高强度(130GPa)、高导热率(5000Wm-1K-1)、高导电率(108Sm-1)以及高化学稳定性等特性，自发现以来收到了研究者的广泛关注。石墨烯本身组装而成的材料性能受限于组装方式和成型工艺，目前并不能充分发挥石墨烯的独特性能，因而，将石墨烯用于复合材料的制备是目前石墨烯应用的主流方向之一。尼龙6(聚酰胺6)是尼龙工程所料中产量最大和应用最广的产品，其综合性能好、性价比高。可以应用于汽车工业、电器工业、机械行业以及民用生活材料等诸多领域。许多研究者试图将石墨烯与尼龙6复合得到高性能的复合材料。石墨烯/尼龙6复合材料的综合性能取决于以下几个方面：(1)石墨烯在聚合物基体中的分散性；(2)石墨烯与尼龙界面间的结合力；(3)石墨烯自身的性能。石墨烯片间由于强π-π相互作用，容易产生团聚现象，影响其性能，并且石墨烯本身为非极性碳材料，与极性的尼龙6分子之间没有良好的相互作用。为了解决这些问题，对石墨烯进行化学修饰是一种常用手段，通过引入极性官能团，既降低了石墨烯的团聚趋势，也提高了是石墨烯与尼龙6的结合能力，甚至可以通过原位聚合的手段使石墨烯与尼龙6发生共价接枝。专利CN102108123《浇铸尼龙6-氧化石墨纳米导电抑菌复合材料的制备方法》采用氧化石墨和己内酰胺进行原位浇铸聚合的方法得到复合材料，具有优异的性能。专利CN103304803《一种铸型尼龙-改性氧化石墨纳米复合材料的制备方法》通过对石墨烯进行氨基化处理，增强了与浇注尼龙的相互结合力，提高了复合材料的性能。然而，对石墨烯本身性能的优化鲜有工作报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的技术不足，提供一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料及其制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料，由0.1～5份纸团状石墨烯微球和100份浇铸尼龙组合而成。所述纸团状石墨烯微球由单层石墨烯片皱褶而成，微球直径为500nm～5μm，密度为0.2～0.4g/cm3，碳氧比为20～60，比表面积低于200m2/g。进一步地，所述纸团状石墨烯微球由以下步骤制备得到：(1)通过雾化干燥法将单层氧化石墨烯分散液干燥，得到氧化石墨烯微球；(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯微球，置于还原性气体氛围中进行还原，得到还原氧化石墨烯微球；(3)将步骤(2)得到的还原氧化石墨烯微球进行高温处理，温度高于1000℃，得到纸团状石墨烯微球。进一步地，所述步骤(1)的单层氧化石墨烯分散液中，还可以含有还原剂。在雾化过程中，氧化石墨烯片发生褶皱，同时，还原剂以分子形态附着在片层表面。所述还原剂为碘化氢、溴化氢、水合肼、维生素C、硼氢化钠等。还原剂与单层氧化石墨烯质量比为0.1～10。所述步骤(1)中的雾化干燥温度为100～200℃，使得包裹在褶皱结构中的还原剂对氧化石墨烯进行初步还原。进一步地，步骤(2)中所述的还原性气氛为水合肼蒸汽、氢碘酸蒸汽、氢气、氢溴酸蒸汽中的一种或多种。还原条件为：在60～200℃下还原30min～48h左右。进一步地，步骤(3)中所述的高温处理温度为2500～3000℃，处理时间为30min～48h，气氛为氮气、氦气、氢气氩气混合气、氩气中的一种。一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将0.1～5份纸团状石墨烯微球加入100份熔融的己内酰胺单体中，搅拌并升温至120℃，减压蒸馏脱除水分，再加入0.15份氢氧化钠，升温至140℃，减压蒸馏脱水30min后升温至155℃；(2)向步骤(1)得到的混合物中加入0.35份助催化剂2，4-二异氰酸甲苯酯(TDI)，搅匀后浇注至预热为165℃的模具中，保温30min，冷却脱模得到石墨烯/浇铸尼龙复合材料。本专利技术的有益效果在于：本专利技术首先通过雾化干燥法制备得到氧化石墨烯微球，在雾化干燥前将还原剂加入氧化石墨烯分散液中，混合均匀，使还原剂以分子形式负载在氧化石墨烯片表面。之后在雾化干燥的过程中，部分还原剂与氧化石墨烯表面的含氧官能团发生反应，产物随溶剂的挥发而脱出，剩余还原剂则以分子形式附着在氧化石墨烯片表面，并随其皱褶被包裹起来。第二步采用化学还原，在还原性气氛下，氧化石墨烯微球内部和表面的含氧官能团与还原剂充分反应，较低的温度使得气体的产生和释放缓慢，避免了直接热还原中基团快速脱除产生气体，导致体积急剧膨胀的现象，因而保持了石墨烯仍以褶皱片的形式紧密结合而不分离。第三步高温热还原一方面使剩余少量的含氧官能团脱除，并修复氧化石墨烯片中的缺陷结构，另一方面，使微球内残留的水分、还原产物和未反应的还原剂脱除。此外，我们在实验中意外发现，在极高温度下(2500～3000℃)下，石墨烯微球的直径逐渐减小，密度增大，比表面积降低。这可能是由于石墨化温度下，石墨烯片的结构完美化，使得石墨烯褶皱结合力增强，石墨烯片间作用力增大，相互之间的距离缩短，逐步使石墨烯球的结构致密化。所得纸团状石墨烯微球具有更加致密的结构，这种致密的纸团状石墨烯微球同时具有良好的力学性能和弹性，能有效吸收冲击，稳定性强，在施加外力的情况下石墨烯微球一方面可有效吸收能量，降低对浇铸尼龙基体的损害，另一方面，当表面发生摩擦时，石墨烯微球可在摩擦面进行滚动摩擦，极压下石墨烯微球可填充于磨损部位降低进一步磨损，可显著提高浇注尼龙的耐磨减摩性。附图说明图1是经本专利技术实施例1制备的纸团状石墨烯微球的微观形貌。图2是经本专利技术对比例2制备的膨胀石墨烯微球的微观形貌。具体实施方式制备石墨烯/浇铸尼龙复合材料的方法包括如下步骤：(1)通过雾化干燥法将单层氧化石墨烯分散液干燥，得到氧化石墨烯微球。所述单层氧化石墨烯分散液中还可以含有还原剂。还原剂为碘化氢、溴化氢、水合肼、维生素C、硼氢化钠等。还原剂与单层氧化石墨烯质量比为0.1～10。雾化干燥温度为100～200℃；(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯微球，置于还原性气体氛围中，在60～200℃下还原30min～48h得到还原氧化石墨烯微球；所述的还原性气氛为水合肼蒸汽、氢碘酸蒸汽、氢溴酸蒸汽中的一种或多种；(3)将步骤(2)得到的还原氧化石墨烯微球进行高温处理，温度高于1000℃，得到纸团状石墨烯微球；气氛为氮气、氦气、氢气氩气混合气、氩气中的一种，处理时间为30min～48h。进一步地，所述温处理温度为2500～3000℃。(4)将0.1～5份纸团状石墨烯微球加入100份熔融的己内酰胺单体中，搅拌并升温至120℃，减压蒸馏脱除水分，再加入0.15份氢氧化钠，升温至140℃，减压蒸馏脱水30min后升温至155℃；(5)向步骤(4)得到的混合物中加入0.35份助催化剂2，4-二异氰酸甲苯酯(TDI)，搅匀后浇注至预热为165℃的模具中，保温30min，冷却脱模得到石墨烯/浇铸尼龙复合材料。下面通过实施例对本专利技术进行具体描述，本实施例只用于对本专利技术做进一步的说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述专利技术的内容做出一些非本质的改变和调整均属本专利技术的保护范围。实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料，其特征在于，由0.1～5份纸团状石墨烯微球和100份浇铸尼龙组成。所述纸团状石墨烯微球由单层石墨烯片皱褶而成，微球直径为500nm～5μm，密度为0.2～0.4g/cm

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/浇铸尼龙复合材料，其特征在于，由0.1～5份纸团状石墨烯微球和100份浇铸尼龙组成。所述纸团状石墨烯微球由单层石墨烯片皱褶而成，微球直径为500nm～5μm，密度为0.2～0.4g/cm3，碳氧比为20～60，比表面积低于200m2/g。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述纸团状石墨烯微球由以下步骤制备得到：(1)通过雾化干燥法将单层氧化石墨烯分散液干燥，得到氧化石墨烯微球；(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯微球，置于还原性气体氛围中进行还原，得到还原氧化石墨烯微球；(3)将步骤(2)得到的还原氧化石墨烯微球进行高温处理，温度高于1000℃，得到纸团状石墨烯微球。3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述步骤(1)的单层氧化石墨烯分散液中，还可以含有还原剂。4.根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于，所述还原剂为碘化氢、溴化氢、水合肼、维生素C、硼氢化钠等。还原剂与单层氧化石墨烯质量比为0.1～10。5.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述步骤(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，陈琛，韩燚，
申请(专利权)人：杭州高烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33