CN104817795B - 一种石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料 - Google Patents

一种石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯与聚合物介电复合材料,即不同含氧量的石墨烯掺杂聚偏氟乙烯的复合材料。该复合材料中各成份所占的质量比为：石墨烯0.5‑3%，聚偏氟乙烯97‑99.5%。本发明将不同含氧量石墨烯掺杂到聚偏氟乙烯中，在频率100Hz条件下掺杂有低含氧量石墨烯的聚偏氟乙烯复合材料的介电常数最高可达83。本发明提供了一种不同含氧量石墨烯与聚偏氟乙烯介电复合材料；同时提供了一种通过改变石墨烯的含氧量调节石墨烯与聚偏氟乙烯介电复合材料介电性能的方法。

Description

一种石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料
技术领域
本发明涉及一种石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，属于介电材料技术领域。
技术背景
高介电常数的聚合物材料将其独特的柔性和可控的介电性能受到越来越多的关注。基于聚合物和碳基导电添加物（添加了炭黑或者碳管）的协同作用的高性能聚合物基介电复合材料在静电屏蔽、电磁干扰屏蔽、调节器、电容器及光电设备等潜在应用中被广泛的研究。目前，石墨烯以其优异的机械性能、导电性能以及导热性能，被认为是聚合物基复合材料的革命性的导电填料。石墨烯是单纯的碳原子排列成二维的蜂窝状点阵，自身具有巨大的比表面积，理论值为 2630 m2g-1。在室温下的电导率达到 5000 W mK−1，比室温下铜的热导率高10倍。
过去的几年中，化学修饰石墨烯（CMG）已在高分子复合材料、能源相关材料、传感、场效应晶体管以及生物医药等领域被广泛研究。通常，利用氧化石墨烯（GO）制备CMG的过程分为两种类型，一类是还原：即从GO移除含氧基团；另一类是化学功能化：即在GO表面通过化学反应的方式修饰上其他官能基团。在GO的上述两类反应中，GO的还原是最值得关注的，这主要是缘于GO还原得到的rGO与纯石墨烯有着许多相似的地方。因此，利用不同含氧量的石墨烯来掺杂聚合物，制备高介电常数的复合材料是一种有重要应用价值的功能材料。
发明内容
为了研究石墨烯对聚合物基复合材料介电性能的影响，改善聚合物基复合材料的介电性能，本发明提供了一种石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料，通过改变石墨烯的含氧量来调节石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料的介电性能。
为了实现上述目的，本发明一种石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料的制备包括以下步骤：
（1）石墨烯的制备
将L-半胱氨酸置于氧化石墨烯悬浮水溶液中，常温下搅拌0～48h后，产物经离心分离得到黑色泥浆，加入0.1 M的NaOH水溶液去除黑色泥浆中的L-半胱氨酸；随后分别用去离子水、无水乙醇洗涤和离心分离处理，直至黑色泥浆pH为7；其后经真空常温干燥得到含氧量为60～12wt%、导电率为7.97×10-7～1.24×10-2 S m-1的石墨烯。
（2） 石墨烯掺杂聚偏氟乙烯
将质量百分比分别为0.5～3%的石墨烯、97～99.5%的聚偏氟乙烯混合，加入乙醇后超声振荡1h，使石墨烯和聚偏氟乙烯混合均匀后自然晾干，再装入模具中，于180～200℃，10～20MPa条件下，在平板硫化机上模压30min，保压冷却后，制得石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料。
所述的石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料在100Hz条件下的介电常数为13～83，介电损耗为0.03～0.11。
本发明的优点在于：
（1）本发明可以通过改变石墨烯的含氧量来调节复合材料的介电常数，所制备的复合材料介电常数高，介电损耗低；
（2）聚合物基体相含量高，复合材料的加工性能好，可以制备成所需要的形状；
（3）通过改变石墨烯的含氧量和质量比，可以调节复合材料的介电常数。
附图说明
图1：本发明石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料的介电常数与频率的关系曲线图；
图2：本发明石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料的介电损耗与频率的关系曲线图；
图3：本发明石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料的电导率与频率的关系曲线图。
具体实施方式
实施例1
制备高含氧量的石墨烯质量比为3%的复合材料，具体步骤如下：
（1）：制备高含氧量的石墨烯；一定量的 L-半胱氨酸置于GO悬浮水溶液的烧瓶中。随后，封好烧瓶口后常温下分别搅拌0h后得到黑色产物，离心得到黑色泥浆。然后，加入0.1M的NaOH水溶液去除产物中的L-半胱氨酸。随后，用去离子水和无水乙醇清洗产物并离心分离直至pH为7。最后，真空常温干燥后即得到产物。产物的含氧量为60%。粉末压片后测量的导电率为7.97×10-7 S m-1。
（2）：按质量比称取3%的上述石墨烯和97%的聚偏氟乙烯，加入乙醇，超声振荡1h，使石墨烯和聚偏氟乙烯混合均匀；
（3）：将以上所得的混合料装入模具中，在平板硫化机上，180℃、15MPa下模压30min，再保压冷却，即制备高含氧量石墨烯掺杂的聚偏氟乙烯复合材料；
（4）：将所制备的复合材料表面打磨光滑，并清洗干净，在其上下表面均匀涂覆一层银胶，测试复合材料的介电性能。
从图1和图2中分别可以看出该复合材料的介电常数为13，介电损耗为0.03。
实施例2
制备较高含氧量的石墨烯质量比为3%的复合材料，具体步骤如下：
（1）：制备较高含氧量的石墨烯；一定量的 L-半胱氨酸置于GO悬浮水溶液的烧瓶中。随后，封好烧瓶口后常温下分别搅拌12h后得到黑色产物，离心得到黑色泥浆。然后，加入0.1 M的NaOH水溶液去除产物中的L-半胱氨酸。随后，用去离子水和无水乙醇清洗产物并离心分离直至pH为7。最后，真空常温干燥后即得到产物。产物的含氧量为51%。粉末压片后测量的导电率为7.03×10-7 S m-1。
（2）：按质量比称取3%的上述石墨烯和97%的聚偏氟乙烯，加入乙醇，超声振荡1h，使石墨烯和聚偏氟乙烯混合均匀；
（3）：将以上所得的混合料装入模具中，在平板硫化机上，180℃、15MPa下模压30min，再保压冷却，即制备高含氧量石墨烯掺杂的聚偏氟乙烯复合材料；
（4）：将所制备的复合材料表面打磨光滑，并清洗干净，在其上下表面均匀涂覆一层银胶，测试复合材料的介电性能。
从图1和图2中分别可以看出该复合材料的介电常数为21，介电损耗为0.06。
实施例3
制备中含氧量的石墨烯质量比为3%的复合材料，具体步骤如下：
（1）：制备中含氧量的石墨烯；一定量的 L-半胱氨酸置于GO悬浮水溶液的烧瓶中。随后，封好烧瓶口后常温下分别搅拌24h后得到黑色产物，离心得到黑色泥浆。然后，加入0.1 M的NaOH水溶液去除产物中的L-半胱氨酸。随后，用去离子水和无水乙醇清洗产物并离心分离直至pH为7。最后，真空常温干燥后即得到产物。产物的含氧量为32%。粉末压片后测量的导电率为3.34×10-4 S m-1。
（2）：按质量比称取3%的上述石墨烯和97%的聚偏氟乙烯，加入乙醇，超声振荡1h，使石墨烯和聚偏氟乙烯混合均匀；
（3）：将以上所得的混合料装入模具中，在平板硫化机上，180℃、15MPa下模压30min，再保压冷却，即制备出中含氧量石墨烯掺杂的聚偏氟乙烯复合材料；
（4）：将所制备的复合材料表面打磨光滑，并清洗干净，在其上下表面均匀涂覆一层银胶，测试复合材料的介电性能。
从图1和图2 中分别可以看出该复合材料的介电常数为47，介电损耗为0.09。
实施例4
制备低含氧量的石墨烯质量比为3%的复合材料，具体步骤如下：
（1）：制备低含氧量的石墨烯；一定量的 L-半胱氨酸置于GO悬浮水溶液的烧瓶中。随后，封好烧瓶口后常温下分别搅拌48h后得到黑色产物，离心得到黑色泥浆。然后，加入0.1 M的NaOH水溶液去除产物中的L-半胱氨酸。随后，用去离子水和无水乙醇清洗产物并离心分离直至pH为7。最后，真空常温干燥后即得到产物。产物的含氧量为12%。粉末压片后测量的导电率为0.0124 S m-1。
（2）：按质量比称取3%的上述石墨烯和97%的聚偏氟乙烯，加入乙醇，超声振荡1h，使石墨烯和聚偏氟乙烯混合均匀；
（3）：将以上所得的混合料装入模具中，在平板硫化机上，180℃、15MPa下模压30min，再保压冷却，即制备出低含氧量石墨烯掺杂的聚偏氟乙烯复合材料；
（4）：将所制备的复合材料表面打磨光滑，并清洗干净，在其上下表面均匀涂覆一层银胶，测试复合材料的介电性能。
从图1和图2中分别可以看出该复合材料的介电常数为83，介电损耗为0.11。

Claims (1)

1.一种石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料，其特征在于：所述的复合材料的制备包括以下步骤：
(1)石墨烯的制备
将L-半胱氨酸置于氧化石墨烯悬浮水溶液中，常温下搅拌0～48h后，产物经离心分离得到黑色泥浆，加入0.1M的NaOH水溶液去除黑色泥浆中的L-半胱氨酸；随后分别用去离子水、无水乙醇洗涤和离心分离处理，直至黑色泥浆pH为7；其后经真空常温干燥得到含氧量为60～12wt％、导电率为7.97×10-7～1.24×10-2S·m-1的石墨烯；
(2)石墨烯掺杂聚偏氟乙烯
将质量百分比分别为0.5～3％的石墨烯、97～99.5％的聚偏氟乙烯混合，加入乙醇后超声振荡1h，使石墨烯和聚偏氟乙烯混合均匀后自然晾干，再装入模具中，于180～200℃，10～20MPa条件下，在平板硫化机上模压30min，保压冷却后，制得石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料；
所述的石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料在100Hz条件下的介电常数为13～83，介电损耗为0.03～0.11。
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