CN106279882A - 一种新型石墨烯阻燃复合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型石墨烯阻燃复合物及其制备方法，原料为石墨烯、HDPE、硬脂酸酰胺、硼酸锌、十溴二苯醚、氢氧化镁、二氧化硅、氧化镁、三碱式硫酸铅和聚乙烯蜡；阻燃性能良好，邵氏硬度90‑100；原料价格低廉，操作简单易行，缺口冲击强度不断；断裂伸长率200‑400％，拉伸强度16‑20MPa，拉伸断裂强度20MPa；氧指数28‑32％，击穿电压20‑30kV/mm，可以广泛生产并不断代替现有材料。

Description

一种新型石墨烯阻燃复合物及其制备方法

技术领域

本发明属于石墨烯材料的制备领域，尤其涉及一种新型石墨烯阻燃复合物及其制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料的量产难题。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。

另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

石墨烯在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，在随后三年内,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。

在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。

石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72％-81％的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。

中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料的量产难题。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。

2015年9月2日，据日本的科学技术振兴机构(JST)与日本东北大学的原子分子材料科学高等研究机构(AIMR)发表，在作为下一代蓄电池而被热切期待的锂空气电池中，通过使用具备三维构造的多孔材质石墨烯作为阳极材料，获得了较高的能量利用效率和100次以上的充放电性能。如果电动车使用这种新型电池，则巡航里程将从目前的200公里左右增加到500-600公里左右。

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用，随着社会城市化、科技化、人性化的发展，设计一种阻燃效果好、伸长率高、氧指数高且强度高的石墨烯阻燃复合物及其制备方法，以满足市场需求，是非常必要的。

发明内容

解决的技术问题：

本发明针对现有石墨烯阻燃复合物硬度低、强度低、伸长率低和阻燃效果差等技术问题，提供一种新型石墨烯阻燃复合物及其制备方法。

技术方案：

一种新型石墨烯阻燃复合物，所述石墨烯阻燃复合物的原料按重量份数配比如下：石墨烯100份，HDPE80-100份，硬脂酸酰胺10-30份，硼酸锌5-15份，十溴二苯醚5-25份，氢氧化镁10-20份，二氧化硅8-12份，氧化镁6-10份，三碱式硫酸铅5-25份，聚乙烯蜡8-10份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述石墨烯阻燃复合物的原料按重量份数配比如下：石墨烯100份，HDPE80份，硬脂酸酰胺10份，硼酸锌5份，十溴二苯醚5份，氢氧化镁10份，二氧化硅8份，氧化镁6份，三碱式硫酸铅5份，聚乙烯蜡8份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述石墨烯阻燃复合物的原料按重量份数配比如下：石墨烯100份，HDPE100份，硬脂酸酰胺30份，硼酸锌15份，十溴二苯醚25份，氢氧化镁20份，二氧化硅12份，氧化镁10份，三碱式硫酸铅25份，聚乙烯蜡10份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述石墨烯阻燃复合物的原料按重量份数配比如下：石墨烯100份，HDPE90份，硬脂酸酰胺20份，硼酸锌10份，十溴二苯醚15份，氢氧化镁15份，二氧化硅10份，氧化镁8份，三碱式硫酸铅15份，聚乙烯蜡9份。

一种所述石墨烯阻燃复合物的制备方法，包括如下步骤：

第一步：按重量份数配比称取石墨烯、HDPE、硬脂酸酰胺、硼酸锌、十溴二苯醚、氢氧化镁、二氧化硅、氧化镁、三碱式硫酸铅和聚乙烯蜡；

第二步：将原料在60-80℃下搅拌20-40分钟，搅拌速度为800-1000r/min，使其混合均匀；

第三步：在挤出温度90-110℃、150-170℃、220-240℃、190-210℃下，挤出造粒，螺杆转速20-40r/min，制得石墨烯阻燃复合物。

有益效果：

本发明所述一种石墨烯阻燃复合物及其制备方法采用以上技术方案和现有技术相比，具有以下技术效果：1、阻燃性能良好，邵氏硬度90-100；2、原料价格低廉，操作简单易行，缺口冲击强度不断；3、断裂伸长率200-400％，拉伸强度16-20MPa，拉伸断裂强度20MPa；4、氧指数28-32％，击穿电压20-30kV/mm，可以广泛生产并不断代替现有材料。

具体实施方式

实施例1:

按重量份数配比称取石墨烯100份，HDPE80份，硬脂酸酰胺10份，硼酸锌5份，十溴二苯醚5份，氢氧化镁10份，二氧化硅8份，氧化镁6份，三碱式硫酸铅5份，聚乙烯蜡8份。

将原料在60℃下搅拌20分钟，搅拌速度为800r/min，使其混合均匀。

在挤出温度90℃、150℃、220℃、190℃下，挤出造粒，螺杆转速20r/min，制得石墨烯阻燃复合物。

实施例2：

按重量份数配比称取石墨烯100份，HDPE100份，硬脂酸酰胺30份，硼酸锌15份，十溴二苯醚25份，氢氧化镁20份，二氧化硅12份，氧化镁10份，三碱式硫酸铅25份，聚乙烯蜡10份。

将原料在80℃下搅拌40分钟，搅拌速度为1000r/min，使其混合均匀。

在挤出温度110℃、170℃、240℃、210℃下，挤出造粒，螺杆转速40r/min，制得石墨烯阻燃复合物。

实施例3：

按重量份数配比称取石墨烯100份，HDPE90份，硬脂酸酰胺20份，硼酸锌10份，十溴二苯醚15份，氢氧化镁15份，二氧化硅10份，氧化镁8份，三碱式硫酸铅15份，聚乙烯蜡9份。

将原料在70℃下搅拌30分钟，搅拌速度为900r/min，使其混合均匀。

在挤出温度100℃、160℃、230℃、200℃下，挤出造粒，螺杆转速30r/min，制得石墨烯阻燃复合物。

阻燃性能良好，邵氏硬度100；原料价格低廉，操作简单易行，缺口冲击强度不断；断裂伸长率400％，拉伸强度20MPa，拉伸断裂强度20MPa；氧指数32％，击穿电压30kV/mm，可以广泛生产并不断代替现有材料。

以上实施例中的所有组分均可以商业购买。

上述实施例只是用于对本发明的内容进行阐述，而不是限制，因此在和本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应该认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种新型石墨烯阻燃复合物，其特征在于，所述石墨烯阻燃复合物的原料按重量份数配比如下：石墨烯100份，HDPE80-100份，硬脂酸酰胺10-30份，硼酸锌5-15份，十溴二苯醚5-25份，氢氧化镁10-20份，二氧化硅8-12份，氧化镁6-10份，三碱式硫酸铅5-25份，聚乙烯蜡8-10份。

2.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯阻燃复合物，其特征在于：所述石墨烯阻燃复合物的原料按重量份数配比如下：石墨烯100份，HDPE80份，硬脂酸酰胺10份，硼酸锌5份，十溴二苯醚5份，氢氧化镁10份，二氧化硅8份，氧化镁6份，三碱式硫酸铅5份，聚乙烯蜡8份。

3.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯阻燃复合物，其特征在于：所述石墨烯阻燃复合物的原料按重量份数配比如下：石墨烯100份，HDPE100份，硬脂酸酰胺30份，硼酸锌15份，十溴二苯醚25份，氢氧化镁20份，二氧化硅12份，氧化镁10份，三碱式硫酸铅25份，聚乙烯蜡10份。

4.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯阻燃复合物，其特征在于：所述石墨烯阻燃复合物的原料按重量份数配比如下：石墨烯100份，HDPE90份，硬脂酸酰胺20份，硼酸锌10份，十溴二苯醚15份，氢氧化镁15份，二氧化硅10份，氧化镁8份，三碱式硫酸铅15份，聚乙烯蜡9份。

5.一种权利要求1所述新型石墨烯阻燃复合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：按重量份数配比称取石墨烯、HDPE、硬脂酸酰胺、硼酸锌、十溴二苯醚、氢氧化镁、二氧化硅、氧化镁、三碱式硫酸铅和聚乙烯蜡；

第二步：将原料在60-80℃下搅拌20-40分钟，搅拌速度为800-1000r/min，使其混合均匀；

第三步：在挤出温度90-110℃、150-170℃、220-240℃、190-210℃下，挤出造粒，螺杆转速20-40r/min，制得石墨烯阻燃复合物。