一种石墨烯/聚酯纳米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/聚酯纳米复合材料及其制备方法，通过在聚酯前驱体中加入褶球状氧化石墨烯和催化剂，在发生缩聚反应的同时，褶球状氧化石墨烯高度分散，并逐步解离为单层氧化石墨烯片，部分酯化分子可与氧化石墨烯片表面的羟基、羧基反应形成化学键，同时使氧化石墨烯发生热还原，最终得到由聚酯和表面接枝有聚酯分子的石墨烯片组成的复合材料。本发明专利技术方法提高了单层石墨烯在聚酯中的分散性，避免了酯化阶段中氧化石墨烯的堆叠，大大节约了成本，提高了生产效率。所得纳米复合材料的均匀性好，石墨烯与聚酯间共价键的形成有效提高了体系的力学性能、电导率、防紫外性等性能。本发明专利技术所涉及制备工艺简单有效，可有效节约成本，所得复合材料性能优越，并可用于连续化纺丝和功能性织物的制备。

A graphene / polyester nanocomposite and its preparation method

The invention discloses a graphene / polyester composite material and its preparation method by adding fold globular graphene oxide and catalyst for polyester precursor, the condensation reaction at the same time, fold globular graphene oxide and highly dispersed, and gradually dissociated into single-layer graphene oxide sheets, partially esterified molecules hydroxyl, carboxyl reaction and graphene oxide surface form chemical bonds, while the thermal reduction of graphene oxide, obtained by polyester and surface grafting composite graphene polyester molecular composition. The method improves the dispersity of single graphene in polyester, avoids the stacking of graphene oxide in the esterification stage, greatly saves cost and improves production efficiency. The uniformity of the obtained nanocomposites is good. The formation of covalent bonds between graphene and polyester can effectively improve the mechanical properties, conductivity and UV resistance of the system. The preparation process is simple and effective, and can effectively save cost. The obtained composite material has superior performance and can be used for continuous spinning and functional fabric preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/聚酯纳米复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料领域，尤其涉及一种石墨烯/聚酯纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
聚酯是由多元醇和多元酸缩聚而得的聚合物总称，常见聚酯材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲酯(PCT)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等。聚酯具有悠久的历史，自发现以来，被广泛应用于包装材料，塑料容器，纤维织物，光学材料等领域，并且不断进行更新换代，出现了诸如合金，共聚，纳米复合等全新工艺，丰富了聚酯材料的种类，也赋予了聚酯其他诸多性能。随着社会的不断发展，差异化的使用条件和新的实际需求给聚酯材料提出了更高的要求，因此如何进一步提升聚酯的性能，获得新性能成为聚酯材料研发的重要课题。在提升聚酯性能的诸多方案中，引入增强材料是一种可快速规模生产，具有高性价比的方法。常规增强材料包括金属材料(纳米线、纳米粒子)、无机填料(蒙脱土、二氧化钛、二氧化硅、氮化硼等)和碳材料(炭黑、石墨等)。常规增强材料存在两大缺陷，一方面需要很高添加量才能获得令人满意的效果，但高添加量伴随着其他性能的下降，难以实现性能的全面提升，另一方面增强效果往往是单一的，不能同时对多个性能进行提高。这些问题导致常规增强材料的性价比偏低，不能令人满意。石墨烯是一种原子厚度的二维材料，具有超高的比表面积、优异的力学性能、高导电率、高导热率和高阻隔性。并且，加入少量石墨烯可同时提高材料的诸多性能，具有超高的性价比，这使其在复合材料方面得到广泛研究。但石墨烯容易团聚，会重新形成石墨堆叠结构，降低了其增强效果。虽然可以通过添加分散剂和进行表面修饰的方法来促进石墨烯的分散性和降低石墨烯的堆叠，但是这些方法提高了石墨烯的成本，并且引入了新的成分。专利201510514154.7《氧化石墨烯改性聚酯材料的制备方法》采用在酯化前将氧化石墨烯加入氧化石墨烯水溶液，一方面水的加入对酯化和缩聚会产生影响，另一方面酯化阶段氧化石墨烯发生还原，可能产生堆叠，降低性能。专利201280033203.X《聚对苯二甲酸乙二酯-石墨烯纳米复合物》将石墨烯纳米片加入聚酯聚合体系，多层石墨烯使得添加量较高(2～15％)，而且由于没有官能团存在，石墨烯在聚合过程中会发生二次堆叠，形成不相容的缺陷点。
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/聚酯纳米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/聚酯纳米复合材料，包括聚酯和均匀分散在聚酯中的单层石墨烯片，所述石墨烯片表面与聚酯分子通过共价键相连，聚酯分子选自聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲酯(PCT)中的一种或多种。一种石墨烯/聚酯纳米复合材料的制备方法，由以下步骤制备进行：(1)通过雾化干燥法将尺寸为1～50微米的单层氧化石墨烯分散液干燥，得到褶球状氧化石墨烯，其碳氧比为2.5～5；(2)将100重量份对苯二甲酸、50～150重量份二醇、0.01～0.5重量份催化剂充分混合搅拌，在200～260℃下进行酯化反应至无水生成；(3)将步骤(1)得到的0.02～10重量份褶球状氧化石墨烯，与0.01～1重量份催化剂加入步骤(2)得到的酯化产物中，保温搅拌1～3h，之后升温至240～310℃并抽真空，反应进行至体系不再放热，水冷切粒得到石墨烯/聚酯纳米复合材料。进一步地，所述步骤(1)的雾化干燥温度为130～200℃。进一步地，所述步骤(2)中的二醇为丁二醇、丙二醇、1,4-环己烷二甲醇的一种或多种。进一步地，所述步骤(2)中的二醇为丁二醇，添加量为60～76.8重量份。进一步地，所述步骤(2)中的二醇为丙二醇，添加量为50～70重量份。进一步地，所述步骤(2)中的二醇为1,4-环己烷二甲醇，添加量为121.4～147.5重量份。进一步地，所述步骤(2)中催化剂为钠、钛、铅、锡的氧化物、无机盐和有机化合物中的一种或多种。进一步地，所述步骤(3)中催化剂为锑、钛、铅、锡的氧化物、无机盐和有机化合物中的一种或多种。本专利技术的有益效果在于：本专利技术首先通过利用雾化干燥法制备得到褶球状氧化石墨烯微球，通过合理选择的碳氧比和氧化石墨烯尺寸，使得褶球状氧化石墨烯可以在不同聚酯低聚物中实现逐步展开，并解离为片状氧化石墨烯，在聚酯聚合过程中氧化石墨烯表面的羟基和羧基与体系中的聚酯分子发生反应，使得聚酯分子链接枝于石墨烯表面，提高了两者相容性的同时也有助于力学性能、导电性、防紫外性等性能的提高。将氧化石墨烯在酯化后加入，避免了对第一步酯化过程的影响，在实际生产过程中更加合理，效率更高，成本更低，同时也避免了氧化石墨烯在酯化阶段发生堆叠形成团聚体。对于整个聚酯聚合而言，除褶球状氧化石墨烯外没有引入任何物质，最大限度降低了石墨烯引入对工艺和设备的影响，具有广阔的应用前景。所得石墨烯/聚酯复合材料具有优异的力学性能和导电率，并可用于功能化聚酯纤维的制备。附图说明图1是经本专利技术实施例1制备的石墨烯/聚酯纳米复合材料的照片。图2是经本专利技术实施例1制备的褶球状氧化石墨烯的SEM图。具体实施方式制备石墨烯/聚酯纳米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，得到褶球状氧化石墨烯。所述雾化干燥温度为130～200℃。所述褶球状氧化石墨烯由单层褶皱氧化石墨烯片组成，氧化石墨烯片的尺寸为1～50微米，碳氧比为2.5～5；(2)将100重量份对苯二甲酸、50～150重量份二醇、0.01～0.5重量份催化剂充分混合搅拌，在200～260℃下进行酯化反应至无水生成。所述二醇为丁二醇、丙二醇、1,4-环己烷二甲醇的一种或多种。进一步地，所述二醇为丁二醇，添加量为60～76.8重量份。进一步地，所述二醇为丙二醇，添加量为50～70重量份。进一步地，所述二醇为1,4-环己烷二甲醇，添加量为121.4～147.5重量份。所述催化剂为钠、钛、铅、锡的氧化物、无机盐和有机化合物中的一种或多种；(3)将步骤(1)得到的0.02～10重量份褶球状氧化石墨烯，与0.01～1重量份催化剂加入步骤(2)得到的酯化产物中，保温搅拌1～3h，之后升温至285℃并抽真空，反应进行至体系不再放热，水冷切粒得到石墨烯/聚酯纳米复合材料。所述搅拌速度为140～200转/分。所述催化剂为锑、钛、铅、锡的氧化物、无机盐和有机化合物中的一种或多种。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：(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，雾化温度为180℃，氧化石墨烯片的尺寸为40～50微米，碳氧比为5；(2)将100重量份对苯二甲酸、72重量份丁二醇、0.02重量份钛酸四丁酯充分混合搅拌，在235℃下进行酯化反应至无水生成；(3)将步骤(1)得到的8重量份褶球状氧化石墨烯，与0.02重量份钛酸四丁酯加入步骤(2)得到的酯化产物中，保温搅拌3h，之后升温至255℃并抽真空，反应进行至体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/聚酯纳米复合材料，其特征在于，包括聚酯和均匀分散在聚酯中的单层石墨烯片，所述石墨烯片表面与聚酯分子通过共价键相连，聚酯分子选自聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚对苯二甲酸1,4‑环己烷二甲酯(PCT)中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/聚酯纳米复合材料，其特征在于，包括聚酯和均匀分散在聚酯中的单层石墨烯片，所述石墨烯片表面与聚酯分子通过共价键相连，聚酯分子选自聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲酯(PCT)中的一种或多种。2.一种石墨烯/聚酯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，由以下步骤制备进行：(1)通过雾化干燥法将尺寸为1～50微米的单层氧化石墨烯分散液干燥，得到褶球状氧化石墨烯，其碳氧比为2.5～5；(2)将100重量份对苯二甲酸、50～150重量份二醇、0.01～0.5重量份催化剂充分混合搅拌，在200～260℃下进行酯化反应至无水生成；(3)将步骤(1)得到的0.02～10重量份褶球状氧化石墨烯，与0.01～1重量份催化剂加入步骤(2)得到的酯化产物中，保温搅拌1～3h，之后升温至240～310℃并抽真空，反应进行至体系不再放热，水冷切粒得到石...

【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