本发明专利技术的一种聚乙烯/石墨烯导电复合材料的制备方法属于复合型导电聚合物材料制备的技术领域。将氧化石墨烯置于水和乙醇溶剂中超声分散，再加入聚乙烯粉末机械搅拌；蒸发溶剂后再真空干燥去除残余的溶剂，得到聚乙烯粉末被涂上一层氧化石墨烯的具有壳核结构的复合粒子；将壳核结构的复合粒子加入到水合肼溶液中，加热搅拌将聚合物上的氧化石墨烯还原成石墨烯，获得粉末状聚乙烯/石墨烯导电复合材料。本发明专利技术的方法，能够使氧化石墨烯有效均匀涂覆在聚合物表面；在还原过程中石墨烯没有脱落到溶液中，有效地减少最终产品石墨烯的团聚。经热压制备的片状复合材料具有更低的渝渗阀值和更高的电导率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合型导电聚合物材料制备的
，特别涉及一种聚合物与石墨烯复合材料的制备方法。
技术介绍
复合型导电聚合物材料在光电子器件、能源、自控发热元件以及抗静电等领域有广泛应用。通常的复合型导电聚合物是将碳黑、石墨或金属粉等导电填料加入到单相或多相聚合物中制备出一种具有导电功能的聚合物基复合材料。随导电填料的增加，聚合物复合材料将发生从绝缘体向导体的转变，即逾渗现象。为了获得较高的电导率，通常要在聚合物基体中加入高体积分的填料，如碳黑填充的聚合物一般需加5% 20%体积分数的填料。由此不但造成复合材料在生产过程中加工流动性变差，而且导致复合材料力学性能下降、生产成本增加。为了探索和发展导电聚合物复合材料的制备方法，保证在具有良好导电性能前提下减少复合物中导电填料含量(即降低导电逾渗阀值)始终是人们关注的热点。 一种分离结构的制备方法可以有效提高电导率和降低逾渗阀值。这种制备方法是首先在聚合物粉末表面涂覆导电介质、然后通过热压形成具有分离结构的复合材料，用二维导电网络代替三维导电网络，从而使逾渗阀值大幅度降低。减少导电填料的含量并使其均匀分散在聚合物粒子表面的分离结构复合材料具有更低的逾渗阀值，所以近年来以石墨烯为导电填料的导电复合材料受到了人们的广泛关注。最近，四川大学Pang等人发表文章Tunablepositive temperature coefficient of resistivity in an electrically conducting polymer/graphene composite. Appl Phys Lett 2010 ;96 :19071_3，公开了采用超高分子量聚乙烯基体、以石墨烯为导电填料制备出具有逾渗阀值为0. 078vol. %的聚合物导电复合材料。实验中，他们将聚合物粉末加到具有氧化石墨烯的水/酒精溶液中在机械搅拌和超声的作用下还原氧化石墨烯并使其涂覆在聚合物粉末上，即一步完成石墨烯涂覆。另外中科院金属研究所的Du等人的文章Comparison of electrical properties between multi-walled carbon nanotube and graphene nanosheet/high densitypolyethyIene composites with a segregated network structure. Carbon 2011 ；49 :1094-100，将石墨烯分散在酒精中，然后将高密度聚乙烯粉末加入石墨烯溶液在超声和搅拌中使溶液蒸发制得的复合物具有Ivol. %的逾渗阀值。虽然他们都获得了很低的渝渗阀值和很高的电导率，但是这种一步涂覆方法不可能有效地将石墨烯涂敷在聚合物粒子上。因为在石墨烯涂覆聚合物粒子过程中，超声和机械搅拌不可避免使石墨烯发生接触和碰撞，在范德华力作用下石墨烯将形成聚集体或重新堆垛，这必然导致最终的复合材料分散效果差，造成逾渗阀值升高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术的复合材料分散效果差，造成逾渗阀值升高的缺欠。首先在水中的氧化石墨烯被剥离成单片的纳米片、形成稳定分散的胶体悬浮液，然后加入聚合物粉末，使聚合物粒子涂上氧化石墨烯，干燥后获得的具有壳核结构的聚合物/氧化石墨烯复合粉末；再将这种具有壳核结构的复合粉末溶液加入还原剂使得在聚合物粒子表上的氧化石墨烯直接还原成石墨烯，并且氧化石墨烯薄片始终被吸附在聚合物粒子上不脱落，就可有效地减少最终产品石墨烯的团聚，由此可制备出具有高电导率低逾渗阀值的聚合物导电复合材料。本专利技术所述的聚乙烯粉末是超高分子量的聚乙烯粉末，分子量在150 600万范围，粉末的粒径在50 500微米的范围。本专利技术的具体技术方案如下，以按质量计为100 O. 05 I. 60 的聚乙烯粉末和氧化石墨烯为原料，经氧化石墨烯涂覆的聚乙烯粉末的制备、聚乙烯粒子表面上的氧化石墨烯还原成石墨烯两个过程；所述的氧化石墨烯涂覆的聚乙烯粉末的制备，是将氧化石墨烯置于质量比为 50 I的水和乙醇溶剂中，超声分散2 3小时后，再加入聚乙烯粉末90 95°C下机械搅拌；蒸发溶剂后在80°C的烘箱中干燥24小时，然后在95°C的真空烘箱中继续干燥24小时以去除残余的溶剂，得到聚乙烯粉末涂上了一层氧化石墨烯形成的具有壳核结构的复合粒子;所述的聚乙烯粒子表面上的氧化石墨烯还原成石墨烯，是将壳核结构的复合粒子加入到水合肼溶液中，水合肼和壳核结构的聚乙烯粒子表面上的氧化石墨烯的质量比为 7 8 : 10，加热到90 95°C下进行机械搅拌4 6小时以便将聚合物上的氧化石墨烯还原成石墨烯；经过抽滤、再用去离子水清洗和真空干燥，获得粉末状聚乙烯/石墨烯导电复合材料。进一步还可以将粉末状聚乙烯/石墨烯导电复合材料制备成片状的超高分子量聚乙烯/石墨烯复合材料。具体的可以是，将粉末状聚乙烯/石墨烯导电复合材料置于 200°C压片机上在10 15MPa的压力下保持3 7分钟，然后冷却到室温，获得具有分离结构的片状聚乙烯/石墨烯导电复合材料。在200°C压片机上用IOMPa的压力保持5分钟以获得I. 5mm厚、直径50mm的片状的聚乙烯/石墨烯导电复合材料试样，该试样用于电导率测量。氧化石墨烯可以是按照现有技术制备得到，也可以按下述制备方法得到。氧化石墨烯以天然石墨粉为原料，通过Hummers方法制备将23ml的浓硫酸加入到250ml的三颈瓶中，在冰池中搅拌使温度降到O 3°C。将2g天然石墨粉和Ig硝酸钠加入并均匀搅拌。6g的高锰酸钾在搅拌和冷却下条件下缓慢加入到该溶液中，温度始终保持在低于20°C。在此条件下搅拌30min后，将溶液放在水浴中加热到35±3°C反应60分钟后，将去离子水缓慢加入，温度控制在低于100°C。反应30分钟后，加入浓度为5%的双氧水直至溶液变为亮黄色。将这些混合溶液过滤并用5%的HCl水溶液和水清洗，直至滤液中无硫酸根，最后在50°C的烘箱中干燥，研磨过筛后置于干燥器中保存。本专利技术的方法，能够使氧化石墨烯片稳定地分散在水和乙醇为溶剂的溶液中，形成黄褐色的悬浮液；氧化石墨烯薄片具有约Inm的厚度，说明被剥离的石墨片以单层或几层的形式存在，从宏观上看氧化石墨烯可以有效地被均匀涂覆在聚合物粒子表面。本专利技术的方法，氧化石墨烯在还原过程中仍能吸附在聚合物粒子表面，没有脱落到溶液中而使溶液变色，有效地减少最终产品石墨烯的团聚。本专利技术的方法制得的粉末状聚乙烯/石墨烯导电复合材料，经热压制备的片状复合材料在低的逾渗阀值时具有很高的电导率。本专利技术为制备其它具有分离结构的聚合物/石墨烯导电复合材料提供了一条新的途径。附图说明图I是本专利技术的含有1% Wt氧化石墨烯的水/乙醇溶液的数码照片。超声后的溶液形成黄褐色的悬浮液，氧化石墨烯片稳定地分散在溶液中。图2是图I溶液中的氧化石墨烯原子力显微镜图像。图3是图I中氧化石墨烯片的厚度曲线。高度测量结果表明溶液中分散的氧化石墨烯薄片具有约Inm的厚度，说明被剥离的石墨片以单层或几层的形式存在。图4是本专利技术聚乙烯粉末涂上了一层氧化石墨烯形成的具有壳核结构的复合粒子的粉末，其颜色随被涂覆的氧化石墨烯体积分数的变化而改变。被涂覆的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟涛，赵竹第，胡洪亮，文懋，刘钦铭，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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