石墨烯聚合物复合材料制造技术

本发明专利技术涉及新型纳米复合材料、纳米复合材料的制备方法和纳米复合材料的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】石墨稀聚合物复合材料本专利技术涉及新型纳米复合材料、纳米复合材料的制造方法及纳米复合材料的用途。石墨烯是已知刚度最大的材料之一，杨氏模量为lTPa，使其成为用作高性能复合材料增强物的理想候选材料。我们发现，由石墨烯和石墨烯类似物可获得具有一系列有利特性的新材料。我们还毫无疑义地证明，从聚合物基体向单层石墨烯发生应力传递，表明石墨烯充当增强相。我们还利用剪切滞后理论对该行为建模，表明石墨烯单层纳米复合材料可以利用连续介质力学进行分析。此外，我们已经能够监测石墨烯/聚合物界面的应力转移效率和破坏。自从石墨烯在2004年首次分离，大部分的研究工作集中在其电子性质，针对诸如在电子器件等的应用。最近的工作通过原子力显微镜利用纳米压痕研究了单层石墨烯的弹性力学性质。结果表明，该材料的杨氏模量为约lTPa，并且内在强度为约 130GPa，使其成为所测量过的强度最高的材料。碳纳米管被积极研究作为纳米复合材料中的增强物，并且已经公认采用片晶增强物如片状纳米粘土 作为添加剂来增强聚合物的力学特性和其它特性。最近已经证明，具有化学处理的石墨烯氧化物作为增强物的聚合物基纳米复合材料可表现出在电子和力学性质方面的显著改善(因而仅在聚甲基丙烯酸甲酯基体中负载I重量％的经化学处理的石墨烯时实现玻璃化转变温度增加30K)。然而，在这些现有技术的复合材料系统中出现的问题包括增强相难以分散以及分散相与聚合物基体之间的界面处的应力传递。迄今还不可能在不对石墨烯进行化学修饰的情况下生产聚合物复合材料。我们认为，这可能是由于材料不相容性方面的预期困难。现在公认拉曼光谱可用于跟踪用碳基材料例如碳纤维和单壁和双壁碳纳米管增强的各种复合材料中的应力传递。这种增强物具有明确限定的拉曼光谱并且其拉曼频带被发现随应力而位移，这使得能够监测在基体和增强相之间的应力传递。此外，已经建立了在G’碳拉曼带的位移速率与应变之间的普遍校准，这允许估计碳增强物的有效杨氏模量。最近的研究表明，由于从这些碳基材料的拉曼散射被共振增强，故可以由非常小量的碳材料例如在基材上分离或在聚合物纳米纤维中拆散和分离的碳纳米管得到强的明确限定的谱图。拉曼光谱也被用来表征石墨烯的结构和变形。已经证明，该技术可以用来确定石墨膜中的层数。石墨烯单层的特征光谱中，G’带(又称为2D带)可以具有单峰，而在双层中G’带由4个峰组成，这是两类样品的电子结构之间差异的结果。最近的几篇论文已经建立了在变形过程中单层石墨烯的拉曼带位移。石墨烯在通过对PDMS基材或PMMA梁进行拉伸或压缩产生的张力下发生变形。还发现，G带在张力下移动到低波数并且发生分裂。G’带发生超过-50(3!^1/%应变的位移，这与其具有超过ITPa的杨氏模量是一致的。最近对于石墨烯受到静水压力的研究表明，这种模式的变形使拉曼带移向高波数，并且该行为可以根据单轴张力下波带位移的知识进行预测。在本申请中，我们已经制备并测试了石墨烯基复合材料。我们已经使用拉曼光谱并利用石墨烯G’带的应力敏感性来监测在由薄聚合物基体层和机械-解理单石墨烯单层构成的模型复合材料中的应力传递。这允许我们验证我们的复合材料的有益特性。根据本专利技术的一个方面，提供一种纳米复合材料，包括(I)基材；石墨烯或官能化石墨烯；任选的粘合剂组分，用于将所述石 墨烯或官能化石墨烯粘附至所述基材；和任选的保护层，用于覆盖所述石墨烯或官能化石墨烯；或(2)分散在液体载体中的石墨烯或官能化石墨烯，其中所述液体载体在施加至表面后能够形成涂覆所述表面的薄膜。在一个实施方案中，所述纳米复合材料包括基材；石墨烯或官能化石墨烯；任选的粘合剂组分，用于将所述石墨烯或官能化石墨烯粘附至所述基材；和任选的保护层，用于覆盖所述石墨烯或官能化石墨烯。在一个实施方案中，所述纳米复合材料包括附着至所述基材的石墨烯或官能化石墨烯。在一个替代实施方案中，所述纳米复合材料为其中分散有石墨烯或官能化石墨烯的基材的形式。例如，所述石墨烯或官能化石墨烯可在挤出形成所述基材之前添加至聚合物混合物中。在一个实施方案中，所述纳米复合材料包括粘合剂组分。在一个实施方案中，所述纳米复合材料包括覆盖石墨烯或官能化石墨烯的保护层。在一个实施方案中，所述纳米复合材料包括附着至基材的石墨烯或官能化石墨烯、粘合剂组分和覆盖石墨烯或官能化石墨烯的保护层。在一个实施方案中，所述纳米复合材料不包括覆盖石墨烯或官能化石墨烯的保护层。在一个实施方案中，所述纳米复合材料包括附着至基材的石墨烯或官能化石墨烯和粘合剂组分(不包括覆盖石墨烯或官能化石墨烯的保护层)。在一个实施方案中，所述纳米复合材料本身可以粘附至另一结构材料。术语“结构材料”包括建筑材料(如钢或混凝土过梁)以及现有结构如桥梁、建筑物、飞机或其它大型结构的部件。在一个实施方案中，所述纳米复合材料包括附着至基材的石墨烯，其中所述石墨烯没有预先进行化学改性。在一个实施方案中，所述石墨烯或官能化石墨烯通过粘合剂组分附着至基材。胶粘剂组分的选择将取决于基材和石墨烯组分的类型(例如，石墨烯组分是否官能化，如果进行官能化，则为官能化的类型和数量)。在这方面，可以通过选择合适的粘合剂来调节石墨烯组分与粘合剂组分之间的界面。粘合剂组分可以包括接触粘合剂(例如压敏粘合剂)以及反应性粘合剂。粘合剂组分因此可选自聚醋酸乙烯酯(PVA)和环氧树脂。其它粘合剂包括聚醇、丙烯酸树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、橡胶、乳胶、聚苯乙烯粘合剂、氰基丙烯酸酯、乙烯-醋酸乙烯酯、聚醋酸乙烯酯、聚硅氧烷、丙烯腈和丙烯酸树脂。纳米复合材料的石墨烯组分可在基材上作为单原子厚度的层存在或某些情况下，可累积若干石墨烯层。在后一种情况下，石墨烯层可作为层存在，其中所述层厚大于I个原子，例如2 10个原子、2 50个原子或甚至2 100个原子，例如石墨烯层可作为厚度是2、3、4、5、6、7、8、9或10个原子的层存在。更通常地，石墨烯作为单层存在，即一个原子厚度的层。作为替代方案，石墨烯作为双层或三层存在，即2个原子或3个原子厚度的层。通常情况下，石墨烯需要为至少10 ii m的长度,优选大于30 u m和最优选大于50 u m,以提供有益的结构效应。然而，只要在石墨烯与基材之间存在良好的界面，则有可能石墨烯的长度可以小于 IOiim(如 1、2、3、4、5、6、7、8 或 9iim 长度)。所述纳米复合材料可具有多于2层。因此，本专利技术还涉及夹层结构，如石墨烯-聚合物-石墨烯或聚合物-石墨烯-聚合物的夹层结构，并且涉及具有重复的石墨烯和聚合物基材的更复杂的多层结构。因此具有3层或4、5、6或7层例如最大10层的多层结构的夹层结构可具有有益的特性。石墨烯聚合物石墨烯的夹层将在制造器件如印刷电路板时有用，因为它不经历显著的热膨胀和应力。夹层结构可能在应变传感应用中特别有利，例如用以改善石墨烯与基础聚合物之间的界面。在特定情况下，提供附加聚合物涂层可能是必要的，以便提供工作应变传感器，尽管它并不总是如以下实施例6那样所必不可少。在这种情况下，夹层结构也可以被视为一个包括基材、石墨烯(或官能化石墨烯)层和保护层的复合材料。 在复合材料或夹层/多层结构中也可以根据需要包括其它材料的其它层。例如，如实施例6的复合材料那样，可将外保护层施加于复合材料上。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】...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊恩·安东尼·金洛克，罗伯特·约瑟夫·扬，康斯坦丁·谢尔盖耶维奇·诺沃肖洛夫，
申请(专利权)人：曼彻斯特大学，
类型：发明
国别省市：