一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备的方法。该方法是将氧化石墨烯与碳纳米管混合、分散，并添加还原剂将氧化石墨烯还原，冻干燥制备出碳纳米管/石墨烯气凝胶；然后通过真空辅助浸渍的方式将含有苯乙烯单体的混合物填充到气凝胶的空隙中，并通过原位聚合反应得到碳纳米管/石墨烯/聚苯乙烯复合材料，最后对所制得的复合材料进行热处理。本发明专利技术工艺简单，过程绿色环保，得到的骨架气凝胶具有低密度、高孔隙率等优点，与聚苯乙烯复合以后得到的复合材料比纯苯乙烯具有更高的强度，并具有较高的导电性能。

A highly conductive carbon nanotube / graphene aerogel / polystyrene composite and its preparation method

The invention discloses a method for preparing a high conductivity carbon nanotube / graphene aerogel / polystyrene composite material. This method is oxidation of graphene and carbon nanotubes mixed and dispersed, and adding reductant to graphene oxide reduction, freeze drying preparation of carbon nanotubes / graphene aerogel; then the mixture by vacuum assisted impregnation method containing styrene monomer is filled into gaps of the aerogel, and by in situ polymerization carbon nanotubes / graphene / polystyrene composite materials, finally heat treatment of the prepared composite material. The invention has the advantages of simple process, the process of green environmental protection, the aerogel skeleton has the advantages of low density, high porosity, and the composite polystyrene composite later than pure styrene with higher strength, conductivity and high.

【技术实现步骤摘要】
一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料及其制备方法
本专利技术属于纳米多孔材料——碳气凝胶
，同时也属于先进功能复合材料领域，具体涉及一种高性能碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料及其制备方法，所制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料可用作导电的高强度复合材料领域。
技术介绍
具有较高导电聚合物基材料在电子设备、传感器、执行器和电磁屏蔽等领域具有广泛的应用。石墨烯具有二维、共轭蜂窝网状结构，显示了很多独特的性能，如巨大的电子迁移率、高导热性、良好的机械性能以及大的比表面积等。石墨烯最有应用前途之一是作为填充材料添加到聚合物基体中制成复合材料，聚合物本身具有较低的负载，因此，石墨烯能明显提高聚合物的电性能，这一特点备受关注。然而，由于石墨烯易聚集，且在石墨烯片层之间产生较高的接触电阻，因此，复合材料的性能增强是有限的，而且远远低于预期，要发展高导电石墨烯/聚合物复合材料仍具有巨大的挑战性。为了提高石墨烯在聚合中的导电性，首先要解决其在聚合物中的分散性。石墨烯气凝胶具有三维网络结构、高比表面和较低密度的多孔纳米材料，在聚合物基体中三维互联石墨烯网络结构为高导电石墨烯复合材料提供了一个新的策略。将石墨烯与其它材料复合制备成气凝胶的研究和专利技术专利相继报道，制备的复合气凝胶应用于多个领域。CN104558998A公开了一种石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶的制备方法，其方法是将石墨烯与聚酰亚胺混合冷冻干燥得到的气凝胶再进行高温碳化制备了石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶，主要用作催化载体、储氢材料级超级电容的电极材料等。王学宝等(石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料的制备及导电性能，复合材料学报，2013,30(6)：1-6)研究了以氧化石墨烯为前驱体，通过溶胶-凝胶法制备了石墨烯气凝胶，然后通过超声混合的方式将石墨烯气凝胶与环氧树脂复合，制备石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料。ZengFan等(Advancedmultifunctionalgraphemeaerogel-Poly(methylmethacrylate)composites:Experimentsandmodeling,Carbon,2015,81:396-404)通过将聚酯(甲基丙烯酸甲脂)回填到石墨烯气凝胶的孔中制备了石墨烯气凝胶/聚酯(甲基丙烯酸甲脂)复合材料，在聚酯(甲基丙烯酸甲脂)基体中均匀分布多层还原氧化石墨烯片。上述专利技术专利及文献中均公开了石墨烯与聚合物复合制备气凝胶和复合材料的制备方法，但目前将碳纳米管/石墨烯气凝胶与聚合物复合制备成复合材料的方法还鲜见报道。在氧化石墨烯中加入碳纳米管粉末进行气凝胶，对其稳定的结构起到一定的支撑作用，从而削弱氧化石墨烯的团聚效应，以得到更大的比表面积；对氧化石墨烯通过还原得到还原氧化石墨烯，具有和原始石墨相似的性质，即具有极好的导电性和力学性能，通过以上方式能够很好地解决石墨烯很难在物质中均匀分散来发挥其性能的难题。另外，碳纳米管的加入，还能够提高复合材料的强度。本专利技术旨在选用合适的热固性聚合物材料，利用还原氧化石墨烯和碳纳米管制成的气凝胶作为骨架材料，将聚合物填充到气凝胶的三维网络的孔隙中并在真空条件下固化，从而制备出具有良好导电性以及高强度高模量的功能复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备过程简单、环保、成本较低的气凝胶及其与苯乙烯复合的方法；与其他同类材料相比，采用本方法所制备的复合材料除具有较好的导电性能外，还具有更高的强度和模量。本专利技术采用的技术方案如下：一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、碳纳米管/石墨烯气凝胶的制备S1-1、采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯悬浮液；S1-2、分别称取碳纳米管和步骤S1-1制备的氧化石墨烯悬浮液置于容器中，超声分散3～4h，使得碳纳米管和氧化石墨烯分散均匀，得分散液；S1-3、向S1-2制备得到的分散液中加入还原剂抗坏血酸，搅拌均匀，在65～90℃下密封6～8h，得到碳纳米管/石墨烯水凝胶；S1-4、将上述水凝胶先置于去离子水中浸泡2～3天，再用无水乙醇浸泡2～3天,然后分装到称量瓶中并置于冰箱中预冷冻11～13h，将预冷冻好的凝胶放在冷冻干燥机中冷冻干燥36～60h得到碳纳米管/石墨烯气凝胶；S2、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备S2-1、将苯乙烯单体和偶氮二异丁氰引发剂混合并搅拌均匀，得预聚体混合液；S2-2、将步骤S2-1制备的预聚体混合液滴加到步骤S1制备的气凝胶中，通过真空辅助浸渍的方式，使气凝胶的空隙全部被上述混合物填满；S2-3、对填好预聚体混合液的气凝胶升温，使碳纳米管/石墨烯气凝胶与苯乙烯单体进行原位聚合反应，反应后即可得到碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料；S3、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的热处理将步骤S2制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料放入模具中，加热到聚苯乙烯的玻璃化转变温度，然后加压，压缩复合材料高度的10％，自然冷却到室温。所述步骤S1-1中氧化石墨烯悬浮液的浓度为8～16mg/mL。所述碳纳米管为经氧化改性使其表面具有4～6％的羧基和6～8％的羟基官能团的碳纳米管(所述碳纳米管中羧基和羟基的百分比是以氧化后的碳纳米管为基数的质量百分比，例如，氧化后的碳纳米管为100g，其含有4～6g的羧基和6～8g的羟基官能团)。所述步骤S1-2中碳纳米管与氧化石墨烯的质量配比为(0～1):(1～0)。所述步骤S1-2中应先把称取好的碳纳米管在水中超声分散30～50min，然后再和氧化石墨烯悬浮液混合。所述步骤S1-3中抗坏血酸的质量为氧化石墨烯质量的3.5-4.5倍。所述步骤S2中加入的苯乙烯单体和偶氮二异丁氰的量需要把碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶淹没，加入的苯乙烯单体、偶氮二异丁氰的质量配比为20：(0.04～0.07)。所述步骤S2-3中聚合反应的反应温度为80～100℃、反应时间为24～48h。所述步骤S3中加热温度为90～100℃、加压为10～20MPa。所述步骤S2-3中聚合反应的反应温度为80～100℃、反应时间为24～48h。所述步骤S3中加热温度为90～100℃、加压压力为10～20MPa。一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料。本专利技术相对于现有技术具有如下有益效果：(1)本专利技术所制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶由一定比例的氧化石墨烯、自制的改性碳纳米管和抗坏血酸均匀混合在一起，通过水热反应以及冷冻干燥的方法制备而成。碳纳米管的加入增强了气凝胶的力学性能，使得石墨烯片层搭建更加稳定，在填充聚合物时，气凝胶不容易塌陷，同时提高了聚合物的填充率。对其稳定的结构起到一定的支撑作用，从而削弱了氧化石墨烯的团聚效应，以得到更大的比表面积。加入的碳纳米管为经氧化改性的碳纳米管，经过改性的碳纳米管表面具有大量的羧基和羟基官能团，复合时能与氧化石墨烯和聚苯乙烯中的官能团反应，结合更加牢固，增加了复合材料的力学性能。(2)对氧化石墨烯通过还原得到还原氧化石墨烯，具有和原始石墨相似的性质，即具有极好的导电性和力学性能，通过以上方式能够很好地解决石墨烯很难在物质中均匀分散来发挥其性能的难题。(3)本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、碳纳米管/石墨烯气凝胶的制备S1‑1、采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯悬浮液；S1‑2、分别称取碳纳米管和步骤S1‑1制备的氧化石墨烯悬浮液置于容器中，超声分散3～4h，使得碳纳米管和氧化石墨烯分散均匀，得分散液；S1‑3、向S1‑2制备得到的分散液中加入还原剂抗坏血酸，搅拌均匀，在65～90℃下密封6～8h，得到碳纳米管/石墨烯水凝胶；S1‑4、将上述水凝胶先置于去离子水中浸泡2～3天，再用无水乙醇浸泡2～3天,然后分装到称量瓶中并置于冰箱中预冷冻11～13h，将预冷冻好的凝胶放在冷冻干燥机中冷冻干燥36～60h得到碳纳米管/石墨烯气凝胶；S2、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备S2‑1、将苯乙烯单体和偶氮二异丁氰引发剂混合并搅拌均匀，得预聚体混合液；S2‑2、将步骤S2‑1制备的预聚体混合液滴加到步骤S1制备的气凝胶中，通过真空辅助浸渍的方式，使气凝胶的空隙全部被上述混合物填满；S2‑3、对填好预聚体混合液的气凝胶升温，使碳纳米管/石墨烯气凝胶与苯乙烯单体进行原位聚合反应，反应后即可得到碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料；S3、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的热处理将步骤S2制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料放入模具中，加热到聚苯乙烯的玻璃化转变温度，然后加压，压缩复合材料高度的10％，自然冷却到室温。...

【技术特征摘要】
1.一种高导电性碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、碳纳米管/石墨烯气凝胶的制备S1-1、采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯悬浮液；S1-2、分别称取碳纳米管和步骤S1-1制备的氧化石墨烯悬浮液置于容器中，超声分散3～4h，使得碳纳米管和氧化石墨烯分散均匀，得分散液；S1-3、向S1-2制备得到的分散液中加入还原剂抗坏血酸，搅拌均匀，在65～90℃下密封6～8h，得到碳纳米管/石墨烯水凝胶；S1-4、将上述水凝胶先置于去离子水中浸泡2～3天，再用无水乙醇浸泡2～3天,然后分装到称量瓶中并置于冰箱中预冷冻11～13h，将预冷冻好的凝胶放在冷冻干燥机中冷冻干燥36～60h得到碳纳米管/石墨烯气凝胶；S2、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备S2-1、将苯乙烯单体和偶氮二异丁氰引发剂混合并搅拌均匀，得预聚体混合液；S2-2、将步骤S2-1制备的预聚体混合液滴加到步骤S1制备的气凝胶中，通过真空辅助浸渍的方式，使气凝胶的空隙全部被上述混合物填满；S2-3、对填好预聚体混合液的气凝胶升温，使碳纳米管/石墨烯气凝胶与苯乙烯单体进行原位聚合反应，反应后即可得到碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料；S3、碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的热处理将步骤S2制备的碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料放入模具中，加热到聚苯乙烯的玻璃化转变温度，然后加压，压缩复合材料高度的10％，自然冷却到室温。2.根据权利要求1所述碳纳米管/石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1-1中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓茹，宋国君，马丽春，丛龙亮，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37