一種新型石墨烯復(fù)合物及其制備方法
【專利摘要】本申請公開了一種新型石墨烯復(fù)合物及其制備方法，原料為石墨烯、LDPE、聚乙烯蠟、十溴聯(lián)苯醚、氯化石蠟、三氧化二銻、CPE、氫氧化鋁、硼酸鋅和硅烷偶聯(lián)劑；阻燃性能良好，邵氏硬度90?100；原料價(jià)格低廉，操作簡單易行；斷裂伸長率400?600％，拉伸強(qiáng)度10?20MPa；氧指數(shù)30?50％，擊穿電壓20?30kV/mm，可以廣泛生產(chǎn)并不斷代替現(xiàn)有材料。
【專利說明】
一種新型石墨烯復(fù)合物及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于石墨稀材料的制備領(lǐng)域，尤其涉及一種新型石墨稀復(fù)合物及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨稀(Graphene)是由碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈.蓋姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
[0003]中國在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲(chǔ)能豐富，價(jià)格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。而我國最新的研究成果已成功突破這兩大難題，制造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產(chǎn)難題。利用化學(xué)氣相沉積法成功制造出了國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了 7英寸石墨烯觸摸屏。
[0004]石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍。
[0005]另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。
[0006]作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨稀被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。
[0007]實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚I毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
[0008]石墨稀在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈.杰姆和克斯特亞.諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。因此，在隨后三年內(nèi)，安德烈.蓋姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
[0009]在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來。
[0010]石墨烯具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，它的晶格是由六個(gè)碳原子圍成的六邊形，厚度為一個(gè)原子層。碳原子之間由σ鍵連接，結(jié)合方式為sp2雜化，這些O鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強(qiáng)100倍，甚至還要超過鉆石。在石墨烯中，每個(gè)碳原子都有一個(gè)未成鍵的P電子，這些P電子可以在晶體中自由移動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。石墨烯是新一代的透明導(dǎo)電材料，在可見光區(qū)，四層石墨烯的透過率與傳統(tǒng)的ITO薄膜相當(dāng)，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ITO薄膜。
[0011]石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾。人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能，超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地迀移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了72%_81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。
[0012]中國在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲(chǔ)能豐富，價(jià)格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。而我國最新的研究成果已成功突破這兩大難題，制造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產(chǎn)難題。利用化學(xué)氣相沉積法成功制造出了國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了 7英寸石墨烯觸摸屏。
[0013]2015年9月2日，據(jù)日本的科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)與日本東北大學(xué)的原子分子材料科學(xué)高等研究機(jī)構(gòu)(MMR)發(fā)表，在作為下一代蓄電池而被熱切期待的鋰空氣電池中，通過使用具備三維構(gòu)造的多孔材質(zhì)石墨烯作為陽極材料，獲得了較高的能量利用效率和100次以上的充放電性能。如果電動(dòng)車使用這種新型電池，則巡航里程將從目前的200公里左右增加到500-600公里左右。
[0014]由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢也是極為突出的。前不久美國NASA開發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測。而石墨烯在超輕型飛機(jī)材料等潛在應(yīng)用上也將發(fā)揮更重要的作用，隨著社會(huì)城市化、科技化、人性化的發(fā)展，設(shè)計(jì)一種阻燃效果好、伸長率高、耐熱老化且強(qiáng)度高的石墨烯復(fù)合物及其制備方法，以滿足市場需求，是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]解決的技術(shù)問題:
[0016]本申請針對現(xiàn)有石墨烯復(fù)合物硬度低、強(qiáng)度低、伸長率低和阻燃效果差等技術(shù)問題，提供一種新型石墨烯復(fù)合物及其制備方法。
[0017]技術(shù)方案:
[0018]—種新型石墨烯復(fù)合物，所述石墨烯復(fù)合物的原料按重量份數(shù)配比如下:石墨烯100份，LDPE80-100份，聚乙烯蠟10-50份，十溴聯(lián)苯醚20-40份，氯化石蠟1-3份，三氧化二銻
3-7份，CPE20-40份，氫氧化鋁40-60份，硼酸鋅5_25份，硅烷偶聯(lián)劑0.5-4.5份。
[0019]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述石墨烯復(fù)合物的原料按重量份數(shù)配比如下:石墨烯100份，LDPE85份，聚乙烯蠟20份，十溴聯(lián)苯醚25份，氯化石蠟1.5份，三氧化二銻4份，CPE25份，氫氧化鋁45份，硼酸鋅10份，硅烷偶聯(lián)劑1.5份。
[0020]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述石墨烯復(fù)合物的原料按重量份數(shù)配比如下:石墨烯100份，LDPE95份，聚乙烯蠟40份，十溴聯(lián)苯醚35份，氯化石蠟2.5份，三氧化二銻6份，CPE35份，氫氧化鋁55份，硼酸鋅20份，硅烷偶聯(lián)劑3.5份。
[0021]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述石墨烯復(fù)合物的原料按重量份數(shù)配比如下:石墨烯100份，LDPE90份，聚乙烯蠟30份，十溴聯(lián)苯醚30份，氯化石蠟2份，三氧化二銻5份，CPE30份，氫氧化鋁50份，硼酸鋅15份，硅烷偶聯(lián)劑2.5份。
[0022]—種所述石墨烯復(fù)合物的制備方法，包括如下步驟:
[0023]第一步:按重量份數(shù)配比稱取石墨烯、LDPE、聚乙烯蠟、十溴聯(lián)苯醚、氯化石蠟、三氧化二銻、CPE、氫氧化鋁、硼酸鋅和硅烷偶聯(lián)劑；
[0024]第二步:在室溫下，將原料在研磨機(jī)中研磨10-30分鐘，使其混合均勻；
[0025]第三步:將混合均勻的原料置于帶蓋的陶瓷坩禍中，再將帶蓋的陶瓷坩禍放入管式爐中在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下首先加熱至550-650°C，保溫反應(yīng)3-5小時(shí)，然后進(jìn)一步加熱至800-900°C，保溫反應(yīng)1-3小時(shí)，制得石墨烯復(fù)合物。
[0026]有益效果:
[0027]本發(fā)明所述一種新型石墨烯復(fù)合物及其制備方法采用以上技術(shù)方案和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:1、阻燃性能良好，邵氏硬度90_100;2、原料價(jià)格低廉，操作簡單易行;3、斷裂伸長率400-600 %，拉伸強(qiáng)度10-20MPa ； 4、氧指數(shù)30-50 %，擊穿電壓20-30kV/mm，可以廣泛生產(chǎn)并不斷代替現(xiàn)有材料。
【具體實(shí)施方式】
[0028]實(shí)施例1:
[0029]按重量份數(shù)配比稱取石墨烯100份，LDPE80份，聚乙烯蠟10份，十溴聯(lián)苯醚20份，氯化石蠟I份，三氧化二銻3份，CPE20份，氫氧化鋁40份，硼酸鋅5份，硅烷偶聯(lián)劑0.5份。
[0030]在室溫下，將原料在研磨機(jī)中研磨10分鐘，使其混合均勻。
[0031]將混合均勻的原料置于帶蓋的陶瓷坩禍中，再將帶蓋的陶瓷坩禍放入管式爐中在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下首先加熱至550°C，保溫反應(yīng)3小時(shí)，然后進(jìn)一步加熱至800°C，保溫反應(yīng)I小時(shí)，制得石墨烯復(fù)合物。
[0032]實(shí)施例2:
[0033]按重量份數(shù)配比稱取石墨烯100份，LDPE100份，聚乙烯蠟50份，十溴聯(lián)苯醚40份，氯化石蠟3份，三氧化二銻7份，CPE40份，氫氧化鋁60份，硼酸鋅25份，硅烷偶聯(lián)劑4.5份。
[0034]在室溫下，將原料在研磨機(jī)中研磨30分鐘，使其混合均勻。
[0035]將混合均勻的原料置于帶蓋的陶瓷坩禍中，再將帶蓋的陶瓷坩禍放入管式爐中在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下首先加熱至650°C，保溫反應(yīng)5小時(shí)，然后進(jìn)一步加熱至900°C，保溫反應(yīng)3小時(shí)，制得石墨烯復(fù)合物。
[0036]實(shí)施例3:
[0037]按重量份數(shù)配比稱取石墨烯100份，LDPE85份，聚乙烯蠟20份，十溴聯(lián)苯醚25份，氯化石蠟1.5份，三氧化二銻4份，CPE25份，氫氧化鋁45份，硼酸鋅10份，硅烷偶聯(lián)劑1.5份。
[0038]在室溫下，將原料在研磨機(jī)中研磨10分鐘，使其混合均勻。
[0039]將混合均勻的原料置于帶蓋的陶瓷坩禍中，再將帶蓋的陶瓷坩禍放入管式爐中在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下首先加熱至550°C，保溫反應(yīng)3小時(shí)，然后進(jìn)一步加熱至800°C，保溫反應(yīng)I小時(shí)，制得石墨烯復(fù)合物。
[0040]實(shí)施例4:
[0041 ] 按重量份數(shù)配比稱取石墨烯100份，LDPE95份，聚乙烯蠟40份，十溴聯(lián)苯醚35份，氯化石蠟2.5份，三氧化二銻6份，CPE35份，氫氧化鋁55份，硼酸鋅20份，硅烷偶聯(lián)劑3.5份。
[0042]在室溫下，將原料在研磨機(jī)中研磨30分鐘，使其混合均勻。
[0043]將混合均勻的原料置于帶蓋的陶瓷坩禍中，再將帶蓋的陶瓷坩禍放入管式爐中在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下首先加熱至650°C，保溫反應(yīng)5小時(shí)，然后進(jìn)一步加熱至900°C，保溫反應(yīng)3小時(shí)，制得石墨烯復(fù)合物。
[0044]實(shí)施例5:
[0045]按重量份數(shù)配比稱取石墨烯100份，LDPE90份，聚乙烯蠟30份，十溴聯(lián)苯醚30份，氯化石蠟2份，三氧化二銻5份，CPE30份，氫氧化鋁50份，硼酸鋅15份，硅烷偶聯(lián)劑2.5份。
[0046]在室溫下，將原料在研磨機(jī)中研磨20分鐘，使其混合均勻。
[0047]將混合均勻的原料置于帶蓋的陶瓷坩禍中，再將帶蓋的陶瓷坩禍放入管式爐中在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下首先加熱至600°C，保溫反應(yīng)4小時(shí)，然后進(jìn)一步加熱至850°C，保溫反應(yīng)2小時(shí)，制得石墨烯復(fù)合物。
[0048]阻燃性能良好，邵氏硬度100;原料價(jià)格低廉，操作簡單易行;斷裂伸長率600%，拉伸強(qiáng)度20MPa;氧指數(shù)50%，擊穿電壓30kV/mm，可以廣泛生產(chǎn)并不斷代替現(xiàn)有材料。
[0049]以上實(shí)施例中的所有組分均可以商業(yè)購買。
[0050]上述實(shí)施例只是用于對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行闡述，而不是限制，因此在和本發(fā)明的權(quán)利要求書相當(dāng)?shù)暮x和范圍內(nèi)的任何改變，都應(yīng)該認(rèn)為是包括在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型石墨烯復(fù)合物，其特征在于，所述石墨烯復(fù)合物的原料按重量份數(shù)配比如下:石墨烯100份，LDPE80-100份，聚乙烯蠟10-50份，十溴聯(lián)苯醚20-40份，氯化石蠟1_3份，三氧化二銻3-7份，CPE20-40份，氫氧化鋁40-60份，硼酸鋅5_25份，硅烷偶聯(lián)劑0.5-4.5份。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型石墨烯復(fù)合物，其特征在于:所述石墨烯復(fù)合物的原料按重量份數(shù)配比如下:石墨烯100份，LDPE85份，聚乙烯蠟20份，十溴聯(lián)苯醚25份，氯化石蠟1.5份，三氧化二銻4份，CPE25份，氫氧化鋁45份，硼酸鋅10份，硅烷偶聯(lián)劑1.5份。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型石墨烯復(fù)合物，其特征在于:所述石墨烯復(fù)合物的原料按重量份數(shù)配比如下:石墨烯100份，LDPE95份，聚乙烯蠟40份，十溴聯(lián)苯醚35份，氯化石蠟2.5份，三氧化二銻6份，CPE35份，氫氧化鋁55份，硼酸鋅20份，硅烷偶聯(lián)劑3.5份。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型石墨烯復(fù)合物，其特征在于:所述石墨烯復(fù)合物的原料按重量份數(shù)配比如下:石墨烯100份，LDPE90份，聚乙烯蠟30份，十溴聯(lián)苯醚30份，氯化石蠟2份，三氧化二銻5份，CPE30份，氫氧化鋁50份，硼酸鋅15份，硅烷偶聯(lián)劑2.5份。5.—種權(quán)利要求1所述新型石墨烯復(fù)合物的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步:按重量份數(shù)配比稱取石墨烯、LDPE、聚乙烯蠟、十溴聯(lián)苯醚、氯化石蠟、三氧化二銻、CPE、氫氧化鋁、硼酸鋅和硅烷偶聯(lián)劑； 第二步:在室溫下，將原料在研磨機(jī)中研磨10-30分鐘，使其混合均勻； 第三步:將混合均勻的原料置于帶蓋的陶瓷坩禍中，再將帶蓋的陶瓷坩禍放入管式爐中在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下首先加熱至550-650°C，保溫反應(yīng)3-5小時(shí)，然后進(jìn)一步加熱至800-9000C，保溫反應(yīng)1-3小時(shí)，制得石墨烯復(fù)合物。
【文檔編號】C08K5/06GK106009205SQ201610654548
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月9日
【發(fā)明人】葉偉然
【申請人】葉偉然