CN104650521A - 一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提出一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法。一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法，采用如下步骤：步骤1：氧化石墨烯(GO)粉末的制备；步骤2：分散聚合制备阳离子聚苯乙烯(PS⁺ )微球；步骤3：GNS/PS 复合材料的制备。本发明能够抑制GNs的自聚、诱导及石墨烯选择性分布在聚合物粒子表面,形成完善的石墨烯三维网络骨架;这种GNs较为有序的三维结构构成了自由电子传导的通路,GNs/PS 复合材料表现出了极低的导电逾渗值和较高的导电率;石墨烯的加入改善了PS的热稳定性,PS 分解温度提高了13.5℃。这种简便的方法为在高粘度的聚合物体系构建有序的无机填料微结构提供了新思路,有利于进一步拓展石墨烯基导电复合材料的应用领域。

Description

一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法

技术领域

    本发明涉及材料化学制备技术领域，具体涉及一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法。

背景技术

作为一种新型的碳系材料,石墨烯因其独特的二维结构、良好的化学稳定性和优异的力学、光学、热学和电学性能,引起了科学和应用领域的广泛研究,被认为是下一代最理想的结构和功能补强材料。近年来,将纳米石墨烯薄片(GNs)作为导电介质加入到聚合物中制备导电复合材料的研究取得了突飞猛进的发展,石墨烯基导电复合材料也被广泛地应用于抗静电、传感器、电容器等领域。

石墨烯基导电复合材料的性能不仅取决于石墨烯在基体中的剥离和分散程度,还与其微观形貌密切相关,故石墨烯微结构和形貌控制成为当前石墨烯材料科学领域研究的前沿和热点之一。采用流动诱导法、多层沉积法、模板法、发泡法等途径,许多二维、三维的石墨烯组装体被制备出来,并呈现出石墨烯单元没有的特殊性能。但是,这些研究主要局限于石墨烯基无机杂化材料,鉴于聚合物粘度较高的特点,在聚合物中构建高维度石墨烯组装体的研究还比较少。

发明内容

本发明旨在提出一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法。

本发明的技术方案在于：

    一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法，采用如下步骤：

步骤1：氧化石墨烯(GO) 粉末的制备：

向装有8.0g石墨的烧杯中缓慢加入200mL浓硫酸,冰水浴磁力搅拌10min,加入24.0g高锰酸钾,搅拌1h;然后,将烧杯转移到30℃的水浴锅中,搅拌进行中温反应10h；加入200mL H₂O,搅拌30min,完成高温反应;加入600mL H₂O和27mL H₂O₂，搅拌冷却至室温，用HCl离心、洗涤去除 SO₂ ^4- 等离子;最后,混合液经H₂O洗涤、超声剥离、离心和冷冻干燥,得到褐色的GO粉末。

步骤2：分散聚合制备阳离子聚苯乙烯(PS⁺ )微球：

往配有搅拌杆、冷凝管、N₂ 入口的1000mL 三口烧瓶中加入520g体积分数为90%的乙醇水溶液,接着加入溶有2g引发剂的苯乙烯单体100g,室温搅拌、氮气鼓泡30min;随后,将体系温度升高至70℃,恒速、恒温预反应2h。

预聚反应结束后,加入3g DMC与PS 预聚体接枝, N₂保护反应22h后,得到乳白色混合液;最后,产物经离心、分离、洗涤和真空干燥后,得到阳离子聚苯乙烯微球。

步骤3：GNS/PS 复合材料的制备：

称取定量的聚苯乙烯微球,超声分散溶于200g水中;然后,加入GO溶液,搅拌、超声分散30min;随后,将混合溶液转移至500mL 烧瓶中,加入水合肼,在95℃加热回流4h；还原反应结束后,经离心、水洗、真空干燥得到黑色的GNs/PS 复合物粉末;最后,GNs/PS 粉末在预热2min 后,经模压成型(10MPa,180℃,5min),制得GNs/PS 复合材料。

优选地，所述的高锰酸钾需要在1h内添加完成。

或者优选地，所述的步骤2中的室温搅拌的速率为300r/min。

或者优选地，所述的加入水合肼与GO的质量比为0.7:1。

本发明的技术效果在于：

    本发明基于静电相互作用的自组装,能够抑制GNs 的自聚、诱导及石墨烯选择性分布在聚合物粒子表面,形成完善的石墨烯三维网络骨架;这种GNs 较为有序的三维结构构成了自由电子传导的通路,GNs/PS 复合材料表现出了极低的导电逾渗值和较高的导电率;石墨烯的加入改善了PS 的热稳定性, PS 分解温度提高了13.5℃。这种简便的方法为在高粘度的聚合物体系构建有序的无机填料微结构提供了新思路,有利于进一步拓展石墨烯基导电复合材料的应用领域。

具体实施方式

        一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法，采用如下步骤：

步骤1：氧化石墨烯(GO) 粉末的制备：

向装有8.0g石墨的烧杯中缓慢加入200mL浓硫酸,冰水浴磁力搅拌10min,加入24.0g高锰酸钾,搅拌1h;然后,将烧杯转移到30℃的水浴锅中,搅拌进行中温反应10h；加入200mL H₂O,搅拌30min,完成高温反应;加入600mL H₂O和27mL H₂O₂，搅拌冷却至室温，用HCl离心、洗涤去除 SO₂ ^4- 等离子;最后,混合液经H₂O洗涤、超声剥离、离心和冷冻干燥,得到褐色的GO粉末。

步骤2：分散聚合制备阳离子聚苯乙烯(PS⁺ )微球：

往配有搅拌杆、冷凝管、N₂ 入口的1000mL 三口烧瓶中加入520g体积分数为90%的乙醇水溶液,接着加入溶有2g引发剂的苯乙烯单体100g,室温搅拌、氮气鼓泡30min;随后,将体系温度升高至70℃,恒速、恒温预反应2h。

预聚反应结束后,加入3g DMC与PS 预聚体接枝, N₂保护反应22h后,得到乳白色混合液;最后,产物经离心、分离、洗涤和真空干燥后,得到阳离子聚苯乙烯微球。

步骤3：GNS/PS 复合材料的制备：

称取定量的聚苯乙烯微球,超声分散溶于200g水中;然后,加入GO溶液,搅拌、超声分散30min;随后,将混合溶液转移至500mL 烧瓶中,加入水合肼,在95℃加热回流4h；还原反应结束后,经离心、水洗、真空干燥得到黑色的GNs/PS 复合物粉末;最后,GNs/PS 粉末在预热2min 后,经模压成型(10MPa,180℃,5min),制得GNs/PS 复合材料。

其中，高锰酸钾需要在1h内添加完成。或者优选地，所述的步骤2中的室温搅拌的速率为300r/min。或者优选地，所述的加入水合肼与GO的质量比为0.7:1。

Claims (4)

1. 一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法，其特征在于：采用如下步骤：

步骤1：氧化石墨烯(GO) 粉末的制备：

向装有8.0g石墨的烧杯中缓慢加入200mL浓硫酸,冰水浴磁力搅拌10min,加入24.0g高锰酸钾,搅拌1h;然后,将烧杯转移到30℃的水浴锅中,搅拌进行中温反应10h；加入200mL H₂O,搅拌30min,完成高温反应;加入600mL H₂O和27mL H₂O₂，搅拌冷却至室温，用HCl离心、洗涤去除 SO₂ ^4- 等离子;最后,混合液经H₂O洗涤、超声剥离、离心和冷冻干燥,得到褐色的GO粉末；

步骤2：分散聚合制备阳离子聚苯乙烯(PS⁺ )微球：

往配有搅拌杆、冷凝管、N₂ 入口的1000mL 三口烧瓶中加入520g体积分数为90%的乙醇水溶液,接着加入溶有2g引发剂的苯乙烯单体100g,室温搅拌、氮气鼓泡30min;随后,将体系温度升高至70℃,恒速、恒温预反应2h;

预聚反应结束后,加入3g DMC与PS 预聚体接枝, N₂保护反应22h后,得到乳白色混合液;最后,产物经离心、分离、洗涤和真空干燥后,得到阳离子聚苯乙烯微球；

步骤3：GNS/PS 复合材料的制备：

称取定量的聚苯乙烯微球,超声分散溶于200g水中;然后,加入GO溶液,搅拌、超声分散30min;随后,将混合溶液转移至500mL 烧瓶中,加入水合肼,在95℃加热回流4h；还原反应结束后,经离心、水洗、真空干燥得到黑色的GNs/PS 复合物粉末;最后,GNs/PS 粉末在预热2min 后,经模压成型(10MPa,180℃,5min),制得GNs/PS 复合材料。

2.如权利要求1一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述的高锰酸钾需要在1h内添加完成。

3.如权利要求1一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤2中的室温搅拌的速率为300r/min。

4.如权利要求1一种石墨烯/聚苯乙烯导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述的加入水合肼与GO的质量比为0.7:1。