CN107415211A - 一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法。首先将较多量的石墨烯与聚合物直接混炼，将石墨烯预分散于聚合物中，然后在双向拉伸机上形成拉伸为薄片（以最大拉伸比拉伸），在拉伸过程中将石墨烯拉伸分散，如此反复拉伸3‑5次，使石墨烯重叠、团聚点被强制分散与聚合物中，揉团后挤出造粒得到分散石墨烯的聚合物粒料。该粒料通常作为母料用于聚合物中。该方法简单高效，适合于在现有成熟设备上规模化制备高分散石墨烯聚合物。

Description

一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法
技术领域
本发明涉及纳米复合材料制备技术领域，特别涉及一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法。
背景技术
随着纳米技术的发展，聚合物与纳米材料的复合成为材料增强改性研究领域的一大热点。通过物理和机械方法在高分子聚合物中加入纳米材料，以达到使材料成本下降，成型加工性能或最终使用性能得到改善，或使材料尽在表面以及电、磁、光、热、声、燃烧等方面赋予独特功能等效果。
石墨烯是由一层碳原子组成的平面碳纳米材料，是目前已知最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，它由六方的晶格组成。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm 2 /V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。然而在实际应用中，石墨烯还存在着诸多的问题和制约因素，石墨烯极易团聚就是制约石墨烯研究和应用的一个主要障碍。
由于石墨烯相互间存在较强的范德华作用力使其不能稳定的以单层形式存在，石墨烯一旦团聚堆叠，其各类性能会出现急剧下降，且一旦发生层堆叠则石墨烯层与层之间难以打开，需要重新剥离。目前较多的研究是通过分散剂来提高石墨烯的分散性，但由于石墨烯不同于普通的无机粉体，常规的分散剂和分散手段难以达到分散效果。
中国发明专利申请号201410042709.8公开了一种石墨烯改性聚丙烯母粒及其制备方法，该发明先将聚丙烯粒子经过带有静电的石墨烯干粉喷涂改性，然后将改性后的聚丙烯粒子与添加剂组分混匀后送入双螺杆挤出机进行熔融混炼，最后经过模头挤出造粒。该发明中通过对石墨烯干粉直接进行静电处理提高石墨烯分散性，但采用石墨烯为原料，增加了原料成本，再者，随着静电电荷转移消耗，石墨烯覆盖聚丙烯粒子均匀性降低，导致了后期石墨烯在母粒中的分布不均匀，成品率低。
中国发明专利申请号201510035628.X公开了一种树脂/石墨烯导电塑料母粒及其制备方法和用途，该发明将水、所述树脂/石墨导电母粒、物理发泡剂、隔离剂一同在高压釜中加热后快速低压放出，使得到爆破剥离法制备的树脂/石墨烯导电塑料发泡母粒。该方法采用石墨为原料，解决了石墨烯不易分散的问题，同时利用超临界物理发泡剂的溶解能力，当其渗入石墨片层在突然释压情况下膨胀而剥离石墨片层。但是爆破的强度不易掌握，获得的石墨烯质量难以保证，并且操作过程存在安全隐患。
中国发明专利申请号201710070649.4公开了一种石墨烯/PVC复合材料用母料的制备方法及母料，石墨烯加入溶剂，并进行分散，得到第一混合液；PVC加入溶剂，使PVC溶解，得到第二混合液；前两步的混合液混合后进行干燥制得母料。本发明解决了石墨烯在PVC中分散的问题，制备的母料能以任何比例与PVC进行复合、混炼，能拓展PVC材料的应用领域。但是本发明直接使用石墨烯材料由于石墨烯的表面浸润性问题，导致石墨烯在聚合物中的分散性差，降低石墨烯复合材料的性能。
由此可知，为提高石墨烯在聚合物生产加工使用过程中的分散性，有必要提出一种能有效解决石墨烯易团聚的问题，提高石墨烯在母料中的均匀分散性的制备方案，进一步能够更好地提高石墨烯聚合物的性能。
发明内容
针对现有技术中使用混炼机仍然存在的石墨烯部分团聚的问题，本发明提出一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，其特征在于，首先将石墨与聚合物混炼，分散于聚合物中，然后在双向拉伸机上拉伸形成薄片，在拉伸过程中，给石墨烯层间重叠堆积相应的拉伸力，打断石墨烯的团聚，反复拉伸2-5次，揉团后挤出造粒得到分散石墨烯的聚合物粒料；所述方法具体包括以下步骤：
（1） 将石墨烯与聚合物按质量比1:1-8混合，加入混炼机，控制工作温度为50-200℃，在转动过程中所述石墨烯分散于聚合物中，石墨烯在聚合物中不断被压缩和剪切，通过混合，形成均质石墨烯混合物；
（2） 将步骤（1）获得的均质石墨烯混合物中加入交联剂，交联剂的质量为所述聚合物的1-5%，在密炼机中密炼均匀，然后开炼机压片，进一步在双向拉伸机上拉伸为薄片，通过拉伸弹性聚合物使石墨烯进一步承受拉伸力，石墨烯重叠部分受拉伸分散开，然后揉团；
（3） 通过反复揉团拉伸3-5次，揉团后挤出直接造粒，得到分散石墨烯的聚合物粒料。
优选的，所述聚合物为具有良好拉伸性的热塑性聚合物，选用如SBS、PS、EVA、EAA中的一种。
优选的，所述混炼机的搅拌速度为500~1500r/min。
优选的，所述交联剂为过氧化氢、异丙苯、醛中的一种或几种。
优选的，所述双向拉伸机为向为纵向、横向两个方向拉伸，拉伸的作用力为100-5000N。
优选的，所述拉伸过程中，保持聚合物在100-150℃的环境温度下，需要保证聚合物不断裂，拉伸完成后所述的薄片厚度为0.005-0.01 mm。
现有方案中石墨烯在聚合物中的分散主要采用直接混炼分散，但受石墨烯特殊结构的影响，石墨烯分散难度大，且存在重叠、团聚，影响了石墨烯在聚合物中的添加应。鉴于此，本发明提出一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，首先将较多量的石墨烯与聚合物直接混炼，将石墨烯预分散于聚合物中，然后在双向拉伸机上形成拉伸为薄片（以最大拉伸比拉伸），在拉伸过程中将石墨烯拉伸分散，如此反复拉伸3-5次，使石墨烯重叠、团聚点被强制分散与聚合物中，揉团后挤出造粒得到分散石墨烯的聚合物粒料。该粒料通常作为母料用于聚合物中。该方法简单高效，适合于在现有成熟设备上规模化制备高分散石墨烯聚合物。
本发明一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明提供的一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，通过双向拉伸，使得石墨烯的重叠点、团聚点被强制拉伸并分散于聚合物中，克服了现有石墨烯直接混炼分散于聚合物中存在重叠团聚的缺陷。
2、本方案以纯物理的方式进行制备，避免的化学反应对石墨烯结构的破坏，获得的产品质量较高，对环境造成污染少。
3、本发明公开的方案制备工艺简单，适合于在现有成熟设备上规模化制备高分散石墨烯聚合物。
附图说明
图1 为本发明实施例1得到的石墨烯分散于聚合物的扫面电镜图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1） 将石墨烯与SBS聚合物按质量比1:2混合，加入混炼机，控制工作温度为120℃，在转动过程中所述石墨烯分散于聚合物中，石墨烯在聚合物中不断被压缩和剪切，通过混合，形成均质石墨烯混合物；
（2） 将步骤（1）获得的均质石墨烯混合物中加入交联剂过氧化氢，交联剂的质量为所述聚合物的1%，在密炼机中密炼均匀，然后开炼机压片，进一步在双向拉伸机上拉伸为薄片，薄片厚度为0.005mm，通过拉伸弹性聚合物使石墨烯进一步承受拉伸力，直至薄片被拉裂，石墨烯重叠部分受拉伸分散开，然后揉团；
（3） 通过反复揉团拉伸3次，揉团后挤出直接造粒，得到分散石墨烯的聚合物粒料。
将实施例1得到的分散石墨烯的聚合物粒料切片进行扫描电镜观测，其显著的表现是无石墨烯团聚体。
实施例2
（1） 将石墨烯与聚合物PS按质量比1:3混合，加入混炼机，控制工作温度为170℃，在转动过程中所述石墨烯分散于聚合物中，石墨烯在聚合物中不断被压缩和剪切，通过混合，形成均质石墨烯混合物；
（2） 将步骤（1）获得的均质石墨烯混合物中加入交联剂异丙苯，交联剂的质量为所述聚合物的3%，在密炼机中密炼均匀，然后开炼机压片，进一步在双向拉伸机上拉伸为薄片，保持聚合物在100-150℃的环境温度下，需要保证聚合物不断裂，拉伸完成后所述的薄片厚度为0.01 mm；通过拉伸弹性聚合物使石墨烯进一步承受拉伸力，石墨烯重叠部分受拉伸分散开，然后揉团；
（3） 通过反复揉团拉伸5次，揉团后挤出直接造粒，得到分散石墨烯的聚合物粒料。
实施例3
（1） 将石墨烯与聚合物EVA按质量比1:5混合，加入混炼机，控制工作温度为80℃，在转动过程中所述石墨烯分散于聚合物中，石墨烯在聚合物中不断被压缩和剪切，通过混合，形成均质石墨烯混合物；
（2） 将步骤（1）获得的均质石墨烯混合物中加入交联剂醛，交联剂的质量为所述聚合物的5%，在密炼机中密炼均匀，然后开炼机压片，进一步在双向拉伸机上拉伸为薄片，拉伸完成后所述的薄片厚度为0.005 mm；通过拉伸弹性聚合物使石墨烯进一步承受拉伸力，石墨烯重叠部分受拉伸分散开，然后揉团；
（3） 通过反复揉团拉伸5次，揉团后挤出直接造粒，得到分散石墨烯的聚合物粒料。
实施例4
（1） 将石墨烯与聚合物EAA按质量比1:8混合，加入混炼机，控制工作温度为100℃，在转动过程中所述石墨烯分散于聚合物中，石墨烯在聚合物中不断被压缩和剪切，通过混合，形成均质石墨烯混合物；
（2） 将步骤（1）获得的均质石墨烯混合物中加入交联剂过氧化氢，交联剂的质量为所述聚合物的1%，在密炼机中密炼均匀，然后开炼机压片，进一步在双向拉伸机上拉伸为薄片，通过拉伸弹性聚合物使石墨烯进一步承受拉伸力，石墨烯重叠部分受拉伸分散开，然后揉团；
（3） 通过反复揉团拉伸3次，揉团后挤出直接造粒，得到分散石墨烯的聚合物粒料。
实施例5
（1） 将石墨烯与聚合物SBS按质量比1:8混合，加入混炼机，控制工作温度为200℃，在转动过程中所述石墨烯分散于聚合物中，石墨烯在聚合物中不断被压缩和剪切，通过混合，形成均质石墨烯混合物；
（2） 将步骤（1）获得的均质石墨烯混合物中加入交联剂异丙苯，交联剂的质量为所述聚合物的3%，在密炼机中密炼均匀，然后开炼机压片，进一步在双向拉伸机上拉伸为薄片，拉伸完成后所述的薄片厚度为0.008 mm；通过拉伸弹性聚合物使石墨烯进一步承受拉伸力，石墨烯重叠部分受拉伸分散开，然后揉团；
（3） 通过反复揉团拉伸5次，揉团后挤出直接造粒，得到分散石墨烯的聚合物粒料。

Claims (6)

1.一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，其特征在于，首先将石墨与聚合物混炼，分散于聚合物中，然后在双向拉伸机上一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，其特征在于，首先将石墨与聚合物混炼，分散于聚合物中，然后在双向拉伸机上拉伸形成薄片，在拉伸过程中，给石墨烯层间重叠堆积相应的拉伸力，打断石墨烯的团聚，反复拉伸2-5次，揉团后挤出造粒得到分散石墨烯的聚合物粒料；所述方法具体包括以下步骤：
（1） 将石墨烯与聚合物按质量比1:1-8混合，加入混炼机，控制工作温度为50-200℃，在转动过程中所述石墨烯分散于聚合物中，石墨烯在聚合物中不断被压缩和剪切，通过混合，形成均质石墨烯混合物；
（2） 将步骤（1）获得的均质石墨烯混合物中加入交联剂，交联剂的质量为所述聚合物的1-5%，在密炼机中密炼均匀，然后开炼机压片，进一步在双向拉伸机上拉伸为薄片，通过拉伸弹性聚合物使石墨烯进一步承受拉伸力，石墨烯重叠部分受拉伸分散开，然后揉团；
（3） 通过反复揉团拉伸3-5次，揉团后挤出直接造粒，得到分散石墨烯的聚合物粒料。
2.根据权利要求1所述一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，其特征在于：所述聚合物选用SBS、PS、EVA、EAA中的一种。
3.根据权利要求1所述一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，其特征在于：所述混炼机的搅拌速度为500~1500r/min。
4.根据权利要求1所述一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，其特征在于：优选的，所述交联剂为过氧化氢、异丙苯、醛中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，其特征在于：所述双向拉伸机为纵向、横向两个方向拉伸，拉伸的作用力为100-5000N。
6.根据权利要求1所述一种高效将石墨烯分散于聚合物的方法，其特征在于：所述拉伸过程中，保持聚合物在100-150℃的环境温度下，保证聚合物不断裂，拉伸完成后所述的薄片厚度为0.005-0.01 mm。
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