【技术实现步骤摘要】
本公开涉及纳米石墨海绵(ngs)和用于从石墨烯增强的聚合物基质(g-pmc)制造纳米石墨海绵的方法。
技术介绍
1、石墨烯是碳原子的二维(2d)单层，由于其出色的特性，例如高电导率、高导热率、非凡的弹性和刚度等，而备受关注。在许多实际应用中，例如电子设备、电磁屏蔽和热管理，非常需要具有高电导率和导热率的基于石墨烯的聚合物复合材料。
2、然而，基于石墨烯的聚合物复合材料的应用受到以下方面的限制：(1)由于石墨烯在聚合物基质中的高比表面积和石墨烯片之间强的分子间相互作用，其分散性较差；(2)在低填料含量下，石墨烯片被聚合物链覆盖，防止了石墨烯片在复合材料中达到渗透极限。需要石墨烯片的良好分散性和高填料含量才能在聚合物基质中形成导电互连网络以提高复合材料的电导率，因为这些复合材料的电导率和导热率极大地取决于电子和声子在各个填料颗粒之间的渗透。
3、为了实现石墨烯在聚合物基质中的更好分散，已经研究了诸如分子官能化的策略。但是，分子官能化在改善分散性的同时，会损坏石墨烯片的电子共轭，从而损害复合材料的导电性。尽管改善了均匀分布，但这些复合材料的电导率仍远低于期望水平。此外，由于严重的聚集和不良的界面结合，高载量的填料通常会妨碍复合材料的加工性能和整体性能。
4、3d、紧密互连的石墨烯网络(例如，纳米石墨海绵(ngs))的构造可以显著提高聚合物复合材料的电导率和导热率。已经提出了一些制备ngs的方法，例如自组装策略，包括一步水热法、化学还原诱导法和金属离子诱导法。然而，在组装过程中石墨烯片的重新堆叠和聚集
5、因此，迫切需要一种容易、低成本和可放大的方法来制造纳米石墨海绵(ngs)。
技术实现思路
1、本公开提供了新颖的纳米石墨海绵(ngs)和用于制造ngs的方法。ngs可包括选自石墨微粒、单层石墨烯纳米颗粒、多层石墨烯纳米颗粒及其两种或更多种的组合的颗粒。颗粒可包括机械剥离的单层和/或多层石墨烯纳米颗粒。在一些实施方案中，单层和/或多层石墨烯纳米颗粒沿c轴方向的厚度为小于50nm。在一些实施方案中，颗粒可以占海绵总重量的至少50％。在一些实施方案中，ngs进一步包括碳颗粒。在一些实施方案中，ngs还包括热塑性聚合物。
2、本文公开的ngs可以具有包括多个开孔的开孔结构。开孔可以具有各种形状、大小和尺寸。在一些实施方案中，开孔的平均孔径为约1nm至约5mm。所述开孔可以包括包封在开孔内的另外的元素。另外的元素的实例可包括li、s、si、na、及其两种或更多种的组合。ngs可包括其他盐(例如，金属盐)，例如锂盐(例如，licoo2、limn2o4、lifepo4、lioh、li2co3、licl、li2so4、hcooli、ch3cooli、li3(c6h5o7)、(cooli)2、li2s、li2s2)等。
3、ngs可以制造成具有各种尺寸/维度的任何形状或形式。在一个示例中，ngs可以形成为块。在另一个示例中，ngs可以形成为线。线的直径可在约1μm至约10mm的范围内。可以将线进一步制成长度范围为约1μm至约10mm的粒料。线也可以进一步被制成粉末形式，其尺寸范围为约0.1μm至约100μm。线可以被金属浸渍，由此金属被浸渍在线的开孔内并被涂覆在表面上。在一些实施方案中，线可以在其上进一步包括绝缘涂层以形成轻质绝缘导电线。
4、另外，ngs可以形成为片/膜。片/膜的厚度可以在约1μm至约10mm的范围内。片/膜可被缠绕到中空螺旋管中。中空螺旋管的直径可以在约10μm至约10mm的范围内。在一些实施方案中，螺旋管包括一层或多层片/膜。螺旋管可进一步包括缠绕在螺旋管中心的金属丝周围的一层或多层片/膜。在一些实施方案中，螺旋管可以在其上包括绝缘涂层以形成轻质的绝缘导电线。
5、本公开还提供了一种电极，该电极包括由ngs块、ngs线或ngs片/膜制成的海绵结构。电极可以是阳极或阴极，并且可以进一步包括绝缘膜以将海绵结构与相邻的海绵结构分开。在本公开中还考虑了一种可再充电的电池，其包括所述电极和传输液体介质。可再充电的电池可以进一步包括绝缘膜，以使阳极和阴极绝缘，其中电极为膜状并且与绝缘膜折叠一次或多次。电极和绝缘膜可以被缠绕成圆柱形或扁平袋状。
6、ngs可包括热塑性聚合物链，其通过以共价结合而分子间交联至所述单层和多层石墨烯纳米颗粒。在一些实施方案中，单层和多层石墨烯纳米颗粒掺杂有其他元素以改性表面化学性质。例如，可以改性经剥离的单层和多层石墨烯纳米颗粒的表面化学或纳米结构，以增强与聚合物基质的结合强度，从而增加聚合物基质复合材料和ngs的强度和刚度。
7、ngs可包括各自共价结合到一个或多个所述单层和/或多层石墨烯纳米颗粒的热塑性聚合物分子。在一些实施方案中，ngs可以包括至少一种结合或粘附到一个或多个经机械剥离的单层或多层石墨烯纳米颗粒的热塑性聚合物分子。
8、热塑性聚合物可以选自丙烯酸类，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、丙烯腈、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)共聚物、聚丙烯腈(pan)、芳族聚砜、芳族热塑性聚酯、液晶聚合物、聚芳基醚酮、聚碳酸酯(pc)、聚醚醚酮(peek)、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚酮(pek)、聚乙烯、聚乙烯硫化物(pes)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet或pete)、低密度聚乙烯(ldpe)、高密度聚乙烯(hdpe)、聚乙醇酸(pga)、聚乳酸(pla)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(plga)、聚甲醛塑料(pom/乙缩醛)、聚苯醚(polyphenylene ether,ppe)、聚苯醚(polyphenylene oxide,ppo)、聚苯硫醚(pps)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚砜(psu)、聚四氟乙烯(ptfe/teflono)、聚氯乙烯(pvc)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、热塑性弹性体、热塑性聚酰亚胺、超高分子量聚乙烯(uhmwpe)、聚酰胺(pa)、脂族聚酰胺、半芳族聚酰胺、芳族聚酰胺、聚酰胺-11(尼龙-11)、聚酰胺-12(尼龙-12)、聚酰胺-4,6、聚酰胺-6(尼龙-6)、聚酰胺-6,10、聚酰胺-6,12、聚酰胺-6,6(尼龙-6,6)、聚酰胺-6,9、聚酰胺(pa)、及其两种或更多种的混合物。
9、本公开还提供了包含上述ngs的产品，其可以是电池部件、超级电容器部件、传感器部件、燃料电池部件、太阳能电池部件、催化剂、催化剂载体材料或吸收剂。例如，产品可以是电池或电容器的电极(例如，阳极、阴极)。该产品可以是可再充电的电池，其具有第一电极、对电极和电解质，该第一电极含有可插入有碱金属的ngs，该对电极可插入有碱金属，该电解质包含有机溶剂和碱金属的盐并与第一电极和对电极接触。
10、本公开还提供了一种用于形成ngs的方法。该方法包括：(a)将石墨微粒分布到熔融的热塑性聚合物相中；(b)对熔融聚合物相施加一系列的剪切应变事件，以使熔融聚合物相在每次事件中本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种形成纳米石墨海绵的方法，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(e)中加热所述纳米石墨海绵完以完全分解余留的聚合物。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其中分布石墨的步骤包括：将所述包含石墨微粒的石墨分布到熔融的热塑性聚合物相中，其中，至少50wt％的石墨由沿c轴方向厚度为1.0至1000微米之间的多层石墨晶体组成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中施加一系列剪切应变事件的步骤包括向液体热固性聚合物前体相施加一系列剪切应变事件，使得所述聚合物前体相内的剪切应力等于或大于石墨的层间剪切强度(ISS)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中施加一系列的剪切应变事件，直到至少90wt％的所述石墨被剥离以形成所述单层或多层石墨烯纳米颗粒在熔融聚合物相中沿c轴方向的厚度小于50纳米的分布；或其中施加一系列的剪切应变事件，直到在所述单层和多层石墨烯纳米颗粒的基面上形成所述单层和多层石墨烯纳米颗粒的断裂为止，其中断裂的边缘包括反应性自由基结合位点，其与所述一种或多种熔融热塑性聚合物
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增强的聚合物基质复合材料包括通过以共价结合而分子间交联至所述单层和多层石墨烯纳米颗粒的热塑性聚合物链。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨掺杂有其他元素以使经剥离的单层和多层石墨烯纳米颗粒表面化学改性。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述石墨烯增强的聚合物基质复合材料包含0.1wt％至50wt％的石墨烯。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括在熔融聚合物相中形成一种或多种添加剂的均匀分布，其中所述添加剂促进将电活性元素插入纳米石墨海绵中。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，使用具有轴向槽纹延伸混合元件或螺旋槽纹延伸混合元件的单螺杆挤出机将所述石墨颗粒掺入聚合物基质中。
12.根据权利要求1所述的方法，其中使所述含石墨的聚合物基质经受重复挤出以引起所述石墨的剥离，从而形成石墨烯纳米颗粒在所述聚合物基质中的均匀分散体。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热塑性聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、聚丙烯腈、芳族聚酯、聚芳基醚酮、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚乙烯硫化物、聚对苯二甲酸乙二酯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚乙醇酸、聚乳酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚甲醛塑料、聚苯醚、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯、聚苯乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、超高分子量聚乙烯、半芳族聚酰胺、芳族聚酰胺、聚酰胺-11、聚酰胺-12、聚酰胺-4,6、聚酰胺-6、聚酰胺-6,10、聚酰胺-6,12、聚酰胺-6,6、聚酰胺-6,9、及其两种或更多种的混合物。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述热塑性聚合物选自液晶聚合物。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述热塑性聚合物选自热塑性弹性体。
...【技术特征摘要】
1.一种形成纳米石墨海绵的方法，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(e)中加热所述纳米石墨海绵完以完全分解余留的聚合物。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其中分布石墨的步骤包括：将所述包含石墨微粒的石墨分布到熔融的热塑性聚合物相中，其中，至少50wt％的石墨由沿c轴方向厚度为1.0至1000微米之间的多层石墨晶体组成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中施加一系列剪切应变事件的步骤包括向液体热固性聚合物前体相施加一系列剪切应变事件，使得所述聚合物前体相内的剪切应力等于或大于石墨的层间剪切强度(iss)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中施加一系列的剪切应变事件，直到至少90wt％的所述石墨被剥离以形成所述单层或多层石墨烯纳米颗粒在熔融聚合物相中沿c轴方向的厚度小于50纳米的分布；或其中施加一系列的剪切应变事件，直到在所述单层和多层石墨烯纳米颗粒的基面上形成所述单层和多层石墨烯纳米颗粒的断裂为止，其中断裂的边缘包括反应性自由基结合位点，其与所述一种或多种熔融热塑性聚合物反应以提供复合材料，其中热塑性聚合物链直接共价结合并且分子间交联至所述单层和多层石墨烯纳米颗粒。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增强的聚合物基质复合材料包括通过以共价结合而分子间交联至所述单层和多层石墨烯纳米颗粒的热塑性聚合物链。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨掺杂有其他元素以使经剥离的单层和多层石墨烯纳米颗粒表面化学改性。
【专利技术属性】
技术研发人员：T·J·诺斯克，B·H·基尔，N·Z·惠布，J·K·林奇布兰佐伊，A·S·特瓦蒂亚，
申请(专利权)人：新泽西鲁特格斯州立大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。