CN114672156A - 一种石墨烯/pa6复合材料的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/pa6复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，该方法将石墨原料、PA6粉料以及不同尺寸的球磨珠一起放入高压不锈钢球磨釜中，并固定在球磨机上，然后通过高压泵将CO2打入球磨釜内除尽釜内的空气后，在球磨釜温度、压力分别为33‑80℃、8‑40MPa运行6‑48小时后停止，关掉电源。释放球磨釜内CO2至压力为常压后，打开球磨釜盖，收集制备好的石墨烯/PA6复合材料。该复合材料制备的母粒和薄膜具有良好的导电性能，在抗静电材料等领域具有广泛应用前景。本方法工艺简单，绿色高效，成本低，有利于工业大规模生产。

Description

一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及PA6复合材料制备领域，具体涉及一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯具有优异的导热、导电以及机械性能，可有效提升聚合物材料的机械、导电和导热等性能，在改性聚合物塑料领域具有广泛的应用前景。聚酰胺6(以下简称：PA6)是一种重要的热塑性工程塑料，因具有良好的力学、耐腐蚀、比强度高和易于加工成型等性能，广泛应用于汽车、机械零部件和包装等工程塑料领域。为了改善和提高PA6在实际应用过程中存在的导热、导电性能和易吸水等方面的不足，采用石墨烯作为功能改性添加剂，制备高性能功能化的石墨烯/PA6复合材料成为国内外研究的热点。
Xiang Yu等(PLASTICS,RUBBER AND COMPOSITES，2020,VOL.49,NO.7,281-288)报道了采用液相剥离得到石墨烯，然后通过熔融挤出方法制备了石墨烯/PA6复合纳米材料，提高了PA6的机械性能；中国专利CN201610459339.7和CN201810599562.0分别公开了一种石墨烯改性PA6复合材料及其制备方法和一种石墨烯改性PA6生产装置及生产工艺，这两个专利虽然涉及石墨烯/PA6的制备，但是它们都是将石墨烯改性后，再通过混合方式制备石墨烯/PA6复合材料。由于石墨烯片层间存在很强的分子间作用力，石墨烯极易发生团聚，很难分散在聚合物基体中，需使用大量分散剂、改性剂等。目前，制备石墨烯/PA6复合材料主要是采用原位聚合、溶液共混和熔融共混等方法(塑料工业，2018，10：1-5)。
但是，前面所述方法都是采用预先制备好的氧化石墨烯或氧化还原石墨烯，经过添加分散剂、改性剂等各种助剂与PA6进行混合制备石墨烯/PA6复合材料，显然，这些改性剂和分散剂会大大影响复合材料电学性能。此外，这些方法还受到制备石墨烯原料的影响，存在工艺复杂、工艺放大难以及保持石墨烯原有性能而不发生团聚的问题。因此，具有优异性能，尤其是电学性能的石墨烯/PA6复合材料的制备技术和放大应用仍然是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有良好导电性能、方法工艺简单，容易工业放大的石墨烯/PA6复合材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明方法通过超临界CO2和PA6的协同增效作用，在剥离石墨为石墨烯的同时，将石墨烯原位均匀分散到PA6中，不仅提高了剥离效率，而且还克服了石墨烯容易团聚，不易分散的难题，从而获得具有优异电学等性能的石墨烯/PA6复合材料。
为达上述目的，本发明采用可工业化生产的球磨工艺，创新性地在球磨罐中引入超临界CO2和PA6粉末，利用超临界CO2、PA6和石墨在球磨系统中的协同增效作用，原位剥离石墨为石墨烯，所剥离的石墨烯及时均匀地与PA6结合，并在PA6基体中形成互穿网络结构，均匀分散，于是获得具有优异电学性能的石墨烯/PA6复合材料。具体发明的技术内容方案如下：
一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
将石墨、PA6和球磨珠放入高压球磨釜中，关闭釜盖，并固定在球磨机上，优选行星球磨机；
向球磨釜中加入CO2，打开加热器，使高压球磨釜中温度和压力达到设定值；
将球磨机运行，待球磨运行时间达到预定值后，关闭电源，释放球磨釜中CO2至常压后，打开釜盖，通过筛网分离球磨珠后，收集所制备的石墨烯/PA6复合材料。
进一步地，所述的石墨包括膨胀石墨或鳞片石墨，所述的PA6为粉料。
进一步地，所述的石墨在PA6和石墨总原料中的重量比为0.1-20％。
进一步地，高压球磨釜中，石墨和球磨珠的质量比为(0.05-2):1000。
进一步地，高压球磨釜中，石墨和PA6粉总质量与球磨珠的质量比为(1-10):100。
进一步地，所述球磨珠的直径为1-30mm，球磨珠的材质为氧化锆、不锈钢、氧化铝或玛瑙硬质合金中的一种或几种。
进一步地，所述高压球磨釜中温度为33-80℃；压力为8-40MPa。
进一步地，所述高压球磨釜中温度为45-65℃；压力为15-25MPa。
进一步地，球磨的转速为100-600rpm；时间为6-48h。
进一步地，球磨的转速为200-400rpm；时间为12-24h。
与现有技术相比，本发明在超临界CO2和PA6以及球磨的协同作用下，石墨烯制备和PA6混合原位同时进行，不仅提高了制备石墨烯的效率，而且防止了石墨烯的团聚，使石墨烯有效均匀地分散在PA6中，从而获得了具有优良电学等性能的石墨烯/PA6复合材料。此外，该技术工艺流程简单，容易工业放大，而且是环境友好的可持续绿色技术。
另一方面，现有的球磨方法都会加入溶剂或分散剂，这些溶剂一般是有机溶剂，易燃，甚至有毒害，最后还涉及样品与溶剂的分离过程(有些可能直接用，不再分离)。而本案的超临界CO2本质上也是一种溶剂，是一种特殊的溶剂，超临界CO2具有类似气体和液体的性质，具有类似气体的高扩散性和渗透性以及类似液体的溶剂化能力，而且超临界CO2的溶剂能力可随密度的变化而变化(其密度是可以调节的，不像其它溶剂不可调，比如水在室温到100℃，密度不变，乙醇也类似)。
另外，通过调节压力和温度(密度改变)超临界CO2与石墨烯的亲和性也会改变，从而可以起到分散稳定的作用；而且，CO2在室温下为气体，很容易与样品分离，不需要再进行分离。此外，在本发明中，超临界CO2可渗透扩散到PA6聚合物中，对PA6具有塑化作用，使PA6进入石墨层间，辅助剥离石墨为石墨烯，同时增强石墨烯在PA6中的均匀分散，实现剥离的石墨烯原位与PA6复合形成石墨烯/PA6复合物。
因此，本发明中球珠对石墨、PA6作用以及超临界CO2与石墨、石墨烯以及PA6的相互作用，大大增强了石墨的剥离，同时与PA6的复合。
附图说明
图1为本发明石墨烯/PA6复合材料制备流程示意图
图2为实施例1中石墨烯/PA6复合材料扫描电镜图
图3为实施例2中石墨烯/PA6复合材料制备的薄膜数码照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)将一定量的石墨、PA6原料以及一定量不同大小的球磨珠，放入高压球磨釜中，关闭釜盖。其中，石墨原料包括膨胀石墨、鳞片石墨一种或多种，PA6为粉料，石墨在PA6和石墨总原料中的重量比为0.1-20％；
(2)将球磨釜固定于球磨机上，一般为行星球磨机，通过高压泵将CO2打入球磨釜中并置换除尽釜内空气后，继续打入一定量CO2，待球磨釜中温度和压力达到设定值后，开启球磨机。温度设定为33-80℃、压力设定为8-40MPa；
(3)球磨机以一定转速运行，待运行时间达到预定值后，关闭电源，取出球磨釜，释放球磨釜中CO2至压力为常压后，打开釜盖，收集所制备的石墨烯/PA6复合材料；球磨时间设置为6-48小时；
(4)采用热压机将所制备的石墨烯/PA6复合材料做成一定规格的薄膜后，采用四探针方块电阻测试仪测试样品表面电阻。
实施例1
按照图1中石墨烯/PA6复合材料制备流程示意图，依次将2克天然石墨、38克PA6粉末以及1000克球珠放入1升高压不锈钢球磨釜中，拧紧釜盖，然后将其固定于球磨机上，通过高压泵向球磨釜中泵入一定量的CO2，排净其中的空气，随后继续泵入CO2至系统压力达20MPa时，开启球磨机，在转速为350rmp下运行24小时，期间球磨釜温度控制为50℃，球磨釜中的超临界CO2密度为0.784g/cm3。停止运行后，通过球磨釜上的阀门释放CO2直到球磨釜中压力降为大气压后，打开球磨釜盖，取出物料，通过筛网将球珠和样品分离，得到石墨烯含量为5％的PA6复合材料。采用扫描电镜分析表征复合材料的结构，如图2所示，石墨烯均匀分散在PA6中，形成石墨烯/PA6复合材料。
以所制备的复合材料通过热压方法，制备厚度1毫米，直径为50毫米的石墨烯/PA6薄膜，如图3所示。采用四探针方块电阻测试仪测试其表面电阻，结果表明该薄膜面电阻从纯PA6的面电阻＞1012欧姆/方块(两电极电阻测试仪测定，因为电阻超过了四探针方块电阻测试仪测量范围)降为1.5×105欧姆/方块，远小于防静电材料面电阻的要求值，说明该石墨烯/PA6复合材料可应用于防静电材料的制备。
实施例2
按照图1中石墨烯/PA6复合材料制备流程示意图，依次将0.5克天然石墨、45.5克PA6粉末以及1000克球珠放入1L高压不锈钢球磨釜中，拧紧釜盖，然后将其固定于球磨机上，通过高压泵向球磨釜中泵入一定量的CO2，排净其中的空气，随后继续泵入CO2至系统压力达15MPa时，开启球磨机，在转速为350rmp下运行24小时，期间球磨釜温度控制为40℃，此时，球磨釜中超临界CO2密度为0.780g/cm3。停止运行后，通过球磨釜上的阀门释放CO2直到球磨釜中压力降为大气压后，打开球磨釜盖，取出物料，通过筛网将球珠和样品分离，得到石墨烯含量为1％的PA6复合材料。
以所制备的复合材料为原料，采用与实施例1一样的热压方法，制备同样规格的石墨烯/PA6薄膜，并使用同样的方法测试其面电阻。结果表明，石墨烯/PA6薄膜面电阻为2.6×105欧姆/方块，远小于防静电材料电阻的要求值，说明该石墨烯/PA6复合材料可应用于防静电材料领域。
实施例3
按照图1中石墨烯/PA6复合材料制备流程示意图，依次将10克天然石墨、40克PA6粉末以及1000克球珠放入1L高压不锈钢球磨釜中，拧紧釜盖，然后将其固定于球磨机上，通过高压泵向球磨釜中泵入一定量的CO2，排净其中的空气，随后继续泵入CO2至系统压力达25MPa时，开启球磨机，在转速为350rmp下运行24小时，期间球磨釜温度控制为60℃，此时，球磨釜中超临界CO2密度为0.786g/cm3。停止运行后，通过球磨釜上的阀门释放CO2直到球磨釜中压力降为大气压后，打开球磨釜盖，取出物料，通过筛网将球珠和样品分离，得到石墨烯含量为20％的PA6复合材料。
以所制备的复合材料为原料，采用与实施例1一样的通过热压方法，制备同样规格的石墨烯/PA6薄膜，并使用同样的方法，测试其面电阻，结果表明石墨烯/PA6薄膜面电阻小于＜103欧姆/方块。
实施例4
依次将0.05克膨胀石墨、49.95克PA6粉末以及1000克球珠放入1L高压不锈钢球磨釜中，拧紧釜盖，然后将其固定于球磨机上，通过高压泵向球磨釜中泵入一定量的CO2，排净其中的空气，随后继续泵入CO2至系统压力达15MPa时，开启球磨机，在转速为350rmp下运行12小时，期间球磨釜温度控制为40℃，此时，球磨釜中超临界CO2密度为0.780。停止运行后，通过球磨釜上的阀门释放CO2直到球磨釜中压力降为大气压后，打开球磨釜盖，取出物料，通过筛网将球珠和样品分离，得到石墨烯含量为0.1％的PA6复合材料。
以所制备的复合材料为原料，采用与实施例1一样的热压方法，制备同样规格的石墨烯/PA6薄膜，并使用同样的方法，测试其面电阻，结果表明，石墨烯/PA6薄膜面电阻为3.8×105欧姆/方块。
比较实施例1-4，说明PA6中的石墨烯含量即使只有0.1％也有很好的导电性，说明0.1％的石墨烯含量就可以形成良好的导电网络。该结果表明本方法能够充分剥离石墨为石墨烯，并且石墨烯能很好在PA6中分散。
对比例1
与实施例1相比，该对比例在没有使用任何超临界CO2例的情况下进行球磨，几乎不能获得PA6和石墨烯复合物，说明超临界CO2的重要性。
对比例2
与实施例1相比，区别在于行星球磨机转速太高，时间太长(转速设置为550rmp，球磨时间为72小时)，所制备的石墨烯/PA6薄膜方块电阻为3.2×105欧姆/方块，低于实施例1的结果。说明，本申请中球磨转速和时间是重要的过程参数。
对比例3
与实施例1相比，区别在于起始石墨原料与PA6的质量比例太高，达到30％，此时，所制备的复合材料不能形成薄膜，因此，石墨原料与PA6的比例不能太高。因此，石墨原料与PA6的比例并不是越高越好。
对比例4
与实施例1相比，区别在于起始石墨原料与PA6的质量比例太低，为0.01％，此时，所制备的复合材料虽然可以形成薄膜，但是，薄膜的方阻变化不大，与纯PA6类似。这是因为，虽然石墨已被剥离为石墨烯，但是由于量太少，在PA6中难以形成导电网络，因此，PA6的导电性变化不大。因此，石墨原料与PA 6的比例应按照一定比例进行混合。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
将石墨、PA6和球磨珠放入高压球磨釜中，关闭釜盖，并固定在球磨机上；
向球磨釜中加入CO2，使高压球磨釜中温度和压力达到设定值；
将球磨机运行，待球磨运行时间达到预定值后，关闭电源，释放球磨釜中CO2至常压后，打开釜盖，通过筛网分离球磨珠后，收集所制备的石墨烯/PA6复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，所述的石墨包括膨胀石墨或鳞片石墨，所述的PA6为粉料。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，所述的石墨在PA6和石墨总原料中的重量比为0.1-20％。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，高压球磨釜中，石墨和球磨珠的质量比为(0.05-2):1000。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨珠的直径为1-30mm，球磨珠的材质为氧化锆、不锈钢、氧化铝或玛瑙硬质合金中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，所述高压球磨釜中温度为33-80℃；压力为8-40MPa。
7.根据权利要求6所述的一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，所述高压球磨釜中温度为45-65℃；压力为15-25MPa。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，球磨的转速为100-600rpm；时间为6-48h。
9.根据权利要求8所述的一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，球磨的转速为200-400rpm；时间为12-24h。
10.根据权利要求1所述的一种石墨烯/PA6复合材料的制备方法，其特征在于，高压球磨釜中，石墨和PA6粉总质量与球磨珠的质量比为(1-10):100。
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