复合材料制造技术

本发明专利技术涉及形成复合材料的方法。本发明专利技术还涉及通过本文所述方法获得的复合材料。还提供了包含2D材料的复合材料。了包含2D材料的复合材料。了包含2D材料的复合材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合材料
[0001]本专利技术涉及形成复合材料的方法。本专利技术还涉及通过本文所述方法获得的复合材料。还提供了2D材料的复合材料。

技术介绍

[0002]石墨和其他层状材料的剥离产生了具有令人感兴趣的物理、电子和催化特性的二维(2D)材料。形成这样的材料的复合材料是非常有吸引力的。
[0003]Paton等人，Nature Materials第13卷，第624
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630页(2014)描述了通过在液体中剪切剥离可扩展地生产无缺陷的少层石墨烯。
[0004]CN
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A
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106492777公开了一种氧化石墨烯/钛酸盐纳米管复合光催化剂，其中氧化石墨烯和纳米二氧化钛纳米粒子进行溶剂热反应，从而获得氧化石墨烯/钛酸盐纳米管复合光催化剂。
[0005]CN
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A
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106337276公开了一种基于石墨烯泡沫改性的壳聚糖织物的制备方法。该制备方法包括将壳聚糖织物浸泡在氧化石墨烯溶液中。
[0006]CN
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105944709公开了一种三维石墨烯和纳米二氧化钛复合光催化剂及其制备方法。该方法包括提供泡沫镍，将泡沫镍浸泡在氧化石墨烯水溶液中以获得三维氧化石墨烯材料，然后将三维氧化石墨烯材料浸泡在四氯化钛溶液中。
[0007]CN
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103285845公开了一种氧化石墨烯包裹二氧化钛微球光催化剂的制备方法，该方法涉及单分散二氧化钛微球与氧化石墨烯进行酯化缩合反应。
[0008]CN
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A
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102600823公开了一种石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法，该方法包括制备氧化石墨烯和二氧化钛的前体溶液，加热并搅拌。氧化石墨烯随后可以通过微波加热被还原，从而避免使用有毒还原剂。
[0009]需要通过避免石墨烯
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聚合物混合物蒸发的方法在聚合物材料中形成高浓度的石墨烯。石墨烯
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聚合物混合物的蒸发通常导致石墨烯片的聚集。
[0010]Youn等人，Scientific Reports，第5卷，文章编号：9141(2015)证明了在较高温度下使用具有低粘度的单体/低聚物使能够在复合材料中达到高浓度的石墨烯的良好分散。通过采用无溶剂方法进行原位聚合，避免了聚集。
[0011]通常地，由于增加的负载的收益递减，石墨烯负载限制为～2
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15重量％。这样的收益递减是由于石墨烯在聚合物基体中的不良分布，不良分布通常由以下任一原因导致：A)熔融复合材料的高粘度限制了石墨烯片在聚合物中的充分分散和混合，或B)由石墨烯片的不良稳定性导致的先前分散的石墨烯片的聚集。
[0012]一种广泛使用的方法是使用溶剂基体系以将石墨烯片和溶解的聚合物混合在一起，随后进行溶剂去除步骤，以使聚合物固化并将石墨烯截留在聚合物基体中。
[0013]据认为从体系中蒸发石墨烯分散溶剂的过程是聚集的重要因素，这是由于石墨烯与溶剂的相互作用与石墨烯片之间相对强的π堆积相互作用的优先选择。这样的溶剂通常与石墨烯的表面能匹配良好。例如，在原始/非功能化石墨烯的情况下，使用例如THF、DMSO或其他溶剂的溶剂，溶剂可以溶解聚合物并分散石墨烯，使它们混合。当溶剂蒸发时，石墨
烯片可以迁移通过(仍然溶解的)聚合物本体以形成聚集体。
[0014]聚集的石墨烯是不利的，因为它降低了复合材料的机械特性，因为可用于与聚合物相互作用的表面积更少，并且在复合材料应变下聚集体的分解/分离导致滞后(对炭黑填充橡胶的充分研究的效应)。
[0015]石墨烯可以被改性，以在其边缘或表面上包含官能团，这有助于与聚合物体系更好地相互作用，以避免聚集并允许更好的混合。然而，这样的改性是昂贵的、耗时的，并且会干扰石墨烯片的原始性质，降低导电性。
[0016]不幸的是，没有一种已知的方法以最少的额外的工艺步骤提供简单且灵活的生产复合材料的方法。
[0017]需要一种通用、灵活的方法来生产层状2D材料和颗粒材料之间的复合材料。本文提出了一种适用于广泛的溶剂、2D材料和颗粒材料的方法。与先前公开的方法不同，该方法是高度可扩展的、快速的，并且不依赖于材料之间的共价键。相反，提出了一种基于絮凝的方法。
[0018]现有技术展示了生产2D材料和颗粒材料之间的复合材料的一些示例。
[0019]对于金属氧化物，最常见的是“原位沉淀”法。其中，将金属氧化物前体盐添加到2D材料的分散体中，金属盐通过分解或与2D材料表面反应，或添加另一种引发金属氧化物形成的反应物沉淀到2D材料上。该方法还要求石墨烯分散在沉淀介质中，这禁止或限制了可用于调整金属颗粒的尺寸和形状(至关重要的考虑因素)的特定溶剂组合的使用。当石墨烯用作2D材料时，氧化石墨烯最常用作石墨烯的来源，因为它容易分散在最常用于金属氧化物形成的水性体系中。不期望使用氧化石墨烯，因为它含有许多缺陷/含氧化学基团，这会干扰石墨烯片的导电性。缺陷的完全去除通常需要单独的处理步骤，或对于商业产品是不期望的高温和高压。
[0020]对于聚合物，最常见的是“原位聚合”，其中将单体和引发剂添加到2D片的分散体中。这对可靠地进行是一个挑战，因为聚合物围绕2D材料表面生长时的行为不同于溶液中的行为，导致不均质性和分子量变宽的问题。该方法还要求石墨烯良好地分散在聚合介质中，这限制了扩大规模和环境友好溶剂的使用(即在水基聚合中)。此外，溶剂的蒸发可能导致2D材料或聚合物迁移，导致2D材料的聚集，并达到对2D材料浓度的限制。
[0021]优选的是使复合材料在组分之间具有颗粒间的附着。这有助于确保复合材料是均质的，并且保持均质。2D材料和颗粒材料之间没有附着的混合物是不期望的，因为由于典型表面极性的大的差异，2D材料和颗粒材料(例如聚合物/金属氧化物)之间的相互作用通常是有限的。通过过滤或离心或蒸发去除混合溶剂后，颗粒和2D材料可以容易地彼此分离和聚集。考虑到通常需要大量溶剂来分散2D材料，这尤其是一个问题。为了弥补这一点，通常通过添加表面活性剂，或2D材料和/或颗粒材料的功能化或化学桥接来增加颗粒之间的相互作用。2D材料预处理的一个常见示例是使用酸和氧化剂(参见石墨烯的“Hummers法”)来添加碳
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氧官能团，这增加了2D材料表面的极性
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这些极性键可以直接地(或者通过使用化学桥接剂)与颗粒表面共价地或非共价地反应。
[0022]尽管与简单混合相比，复合材料均质性具有好处，但这些方法存在多个可扩展性和质量问题。例如，表面活性剂的存在可能会干扰最终产品的导电性，并且需要额外的洗涤步骤来去除。此外，氧化或功能化破坏了2D材料的原始片层，这可能对最终产品的电学和物
理特性产生不利影响。例如，还原氧化石墨烯(RGO)，其是已经被氧化，然后被“还原”以去除氧的石墨烯，由于来自氧化剂与碳原子反应的片缺陷的增加，还原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种形成复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：a)在溶剂中提供2D材料；b)向所述溶剂中添加颗粒材料；c)在所述溶剂中提供絮凝剂，其中所述絮凝剂为非碱性絮凝盐；其中，溶剂中絮凝剂的存在导致颗粒材料和2D材料之间的相互作用以形成复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述2D材料选自以下中的一种或多种：石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、功能化石墨烯、部分氧化石墨烯；金属氧化物纳米片，其由共棱/角的MO6八面体(其中M为过渡金属，且O为氧)的片组成，其中所述片被碱金属阳离子、质子、水、溶剂或其任意组合隔开；金属双氢氧化物，其由二价金属阳离子和三价金属阳离子的八面体氢氧化物层组成，其中电荷用层间的阴离子平衡，其由以下通式表示：M
2+1
‑
x
M
3+x
(OH)2A
n
‑
x/n
·
mH2O(其中M
2+
＝Mg
2+
、Fe
2+
、Co
2+
、Ni
2+
、Zn
2+
等；M
3+
＝Al
3+
、Fe
3+
、Co
3+
等；且A＝(CO3)2‑
、Cl
‑
、(NO3)
‑
、(ClO4)
‑
等)；六方氮化硼；和过渡金属二硫属化物，其具有通用的化学计量MX2，其中M是过渡金属原子，且X是硫族原子。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述2D材料选自hBN、石墨烯或过渡金属二硫属化物。4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述非碱性絮凝盐选自碱金属磷酸氢盐、乙基三苯基卤化鏻、硼砂、非碱性铵盐、四乙基卤化铵、碱土金属硝酸盐、碱金属硝酸盐、碱土金属卤化物、碱金属卤化物、MOF前体及其组合，前提是如果非碱性絮凝盐是氯化铵，则它是在溶剂中原位形成的。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述非碱性絮凝盐选自磷酸氢钠、乙基三苯基碘化鏻、硼砂、乙酸铵、四乙基溴化铵、硝酸镁、氯化锂、硫氰酸铵、硝酸锌、丁二胺、2
‑
甲基咪唑及其组合中的一种或多种。6.一种形成复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：a)在溶剂中提供非石墨烯基的2D材料；b)向所述溶剂中添加颗粒材料；c)在所述溶剂中提供絮凝剂，其中所述絮凝剂为碱性材料；其中，溶剂中絮凝剂的存在导致颗粒材料和2D材料之间的相互作用以形成复合材料。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述非石墨烯基的2D材料选自：金属氧化物纳米片，其由共棱/角的MO6八面体(其中M为过渡金属，且O为氧)的片组成，其中所述片被碱金属阳离子、质子、水、溶剂或其任意组合隔开；金属双氢氧化物，其由二价金属阳离子和三价金属阳离子的八面体氢氧化物层组成，其中电荷用层间的阴离子平衡，其由以下通式表示：M
2+1
‑
x
M
3+x
(OH)2A
n
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x/n
·
mH2O(其中M
2+
＝Mg
2+
、Fe
2+
、Co
2+
、Ni
2+
、Zn
2+
等；M
3+
＝Al
3+
、Fe
3+
、Co
3+
等；且A＝(CO3)2‑
、Cl
‑
、(NO3)
‑
、(ClO4)
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等)；六方氮化硼；和过渡金属二硫属化物，其具有通用的化学计量MX2，其中M是过渡金属原子，且X是硫族原子。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述非石墨烯基的2D材料选自hBN或过渡金属二硫属化物。9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中所述碱性材料是碱性溶液。10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中所述碱性材料是碱性絮凝盐。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述2D材料作为分散体存在于溶剂中。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述2D材料和颗粒材料在所述方法的操作温度下基本上不溶于溶剂。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在添加絮凝盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨姆，
申请(专利权)人：阿纳皮特有限公司，
类型：发明
国别省市：