CN104530649A - 一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能型非金属复合材料技术领域，具体为一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法。其步骤为：将氧化石墨溶于水中得到其水溶液，然后加入一定量的甲苯通过均质机乳化制备得到石墨烯乳液，再加入单体硅氧烷，用氨水调节pH值后搅拌反应，反应结束后洗涤过滤得到石墨烯/二氧化硅复合纳米填料。与一般溶液共混法制备的石墨烯/二氧化硅复合填料相比，利用本发明技术方案制备的纳米填料具有特异的微结构，二氧化硅的尺寸达微米级。填料在环氧树脂基体中具有良好的分散性，同时结合了石墨烯材料以及二氧化硅各自的优点能有效地增强材料的力学性能和导热性能。
Description
技术领域：
本发明属于功能型非金属复合材料技术领域，具体涉及一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法。
背景技术：
环氧模塑料(EMC)作为一种重要的微电子封装材料，主要用于封装半导体芯片以保护芯片免受到外部环境的破坏，同时具有一定的散热效果。随着半导体技术的不断发展，对电子产品的集成化，微型化，可靠性的要求不断提高，这就需要环氧模塑料必须具有更低的膨胀系数、粘度和内应力，同时具有较高的导热，粘结性和可靠性。二氧化硅粉体具有优异的理化特性，能有效地改善环氧树脂的流动性、热膨胀系数、吸水率等特征，因此它是封装用环氧塑封料的最主要也是最理想的填充材料。二氧化硅微粉有结晶型和熔融型，根据形貌还可氛围球形和角形。不同的制备方式得到的二氧化硅的种类和粒径大不相同，对于环氧树脂的改性效果也大不相同。同时为了更好地使二氧化硅微粉与树脂混合，就要对二氧化硅微粉进行表面改性，使之具有良好的浸润性，从而增强填料与高分子聚合物界面之间的结合力。
石墨烯，一种片状的石墨分子，具有优异的耐热性、机械性能、电性能、传输性能、气体屏障性能及热电性能，不仅具有重要的理论研究价值，其独特的结构和优异的性能还使其有可能在许多领域取得重大的应用价值，为未来的经济、社会发展提供新的有力增长点。因此，石墨烯很快就成为继富勒稀和碳纳米管之后材料科学领域的又一个研究焦点，世界各国政府、民间以及工业界的研究机构对石墨烯的制备、改性和应用展开了广泛的研究。而利用石墨烯材料改性环氧模塑料可以有效地增韧增强环氧树脂，大幅提高模塑料的机械性能和导热性能。
鉴于此，在产品配方中同时添加二氧化硅微粉以及石墨烯可以有效的发挥两者的协同效应，能够有效地提升对树脂的增韧增强作用。但是，二氧化硅微粉与石墨烯之间的化学作用力很弱，将两组分单独加入共混时很难发挥其协同增韧效果。因此可以制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料，将该种复合填料用于增韧增强树脂。然而利用普通溶液法制备的石墨烯/二氧化硅复合纳米填料，二氧化硅微球在石墨烯片上生长且其直径一般为数十纳米。本发明利用乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料，通过石墨烯乳液为模板制备二氧化硅微球可以得到新型的复合物微结构，该种纳米填料能有效地提升在环氧树脂中的分散性以及增韧增强效果。
发明内容：
本发明的目的在于：提供一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法。石墨烯具有优异的机械性能，可以作为一种纳米填料用以增韧增强环氧树脂方面。二氧化硅粒子作为一种无机填料粒子可以很好的降低环氧塑封料的热膨胀系数同时提升材料的导热能力。采用本发明所述的方法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料可以得到新型的复合物微结构，有效地提升在环氧树脂中的分散性同时结合石墨烯以及二氧化硅各自的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法，具体步骤如下：
(1)利用改进的Hummers方法制备得到氧化石墨；
(2)将氧化石墨超声分散于水中得到氧化石墨烯水溶液；
(3)向步骤(2)中得到的氧化石墨烯水溶液中加入一定量的甲苯，用均质机乳化得到氧化石墨烯乳液；
(4)将一定质量的硅氧烷加入到步骤(3)所得的石墨烯乳液中，再加入一定量的氨水；
(5)常温下搅拌至反应结束，过滤得到石墨烯/二氧化硅复合纳米填料。
与现有技术相比，本发明的有点如下：
(1)本发明方法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料可以大幅减少有机溶剂使用量，更加绿色环保；
(2)本发明方法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料与一般溶液法制备的复合填料相比，具有新型的微结构，二氧化硅的尺寸能达到微米级；
(3)本发明方法制备的石墨烯/二氧化硅复合纳米填料用于增强环氧模塑料具有良好的分散性，同时能有效提升环氧模塑料机械性能、导热能力并降低材料热膨胀系数。
具体实施方式：
以下所列实施例和应用例是为更具体的说明本发明，但本发明并不仅局限于该处所列实施例和应用例。
实施例1：
称取0.2克氧化石墨烯置于500毫升的三口烧瓶中，加入200毫升去离子水，超声30分钟溶解。超声结束后加入20毫升甲苯，利用均质乳化机乳化5分钟，转速为5000rpm。当乳化完成形成均一的乳液后，加入10克四乙氧基硅氧烷，低转速搅拌溶解。再加入100毫升浓度为10％的氨水溶液继续搅拌12小时。反应结束后用空隙为220纳米的聚丙烯微孔薄膜过滤并用水洗，烘干得到石墨烯/二氧化硅复合纳米填料。
实施例2：
称取1克氧化石墨烯置于1000毫升的三口烧瓶中，加入500毫升去离子水，超声60分钟溶解。超声结束后加入100毫升甲苯，利用均质乳化机乳化10分钟，转速为7000rpm。当乳化完成形成均一的乳液后，加入100克四乙氧基硅氧烷，低转速搅拌溶解。再加入500毫升浓度为10％的氨水溶液继续搅拌12小时。反应结束后用空隙为220纳米的聚丙烯微孔薄膜过滤并用水洗，烘干得到石墨烯/二氧化硅复合纳米填料。
Claims (6)
1.一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：
(1)将氧化石墨烯超声分散于水中；
(2)向步骤(1)中得到的石墨烯水溶液中加入一定量的甲苯，用均质机乳化得到石墨烯乳液；
(3)将一定质量的硅氧烷加入到步骤(2)所得的石墨烯乳液中，再加入一定量的氨水；
(4)常温下搅拌至反应结束，过滤得到石墨烯/二氧化硅复合纳米填料。
2.根据权利要求1所述的一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法，其特征在于：氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1～5mg/mL。
3.根据权利要求1所述的一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法，其特征在于：甲苯与石墨烯水溶液的质量比为1∶1～1∶20。
4.根据权利要求1所述的一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法，其特征在于：所用硅氧烷可以是四甲氧基硅氧烷和四乙氧基硅氧烷中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法，其特征在于：硅氧烷的用量为氧化石墨烯使用量的50～500倍。
6.根据权利要求1所述的一种乳液法制备石墨烯/二氧化硅复合纳米填料的方法，其特征在于：氨水的浓度为10～20％，用量为硅氧烷用量的0.5～5％。
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