一種石墨烯聚氨酯複合材料的製備方法與流程
2023-06-18 11:44:21
本發明屬於複合材料製備領域，更具體涉及一種石墨烯聚氨酯複合材料的製備方法。
背景技術：
石墨烯具有較大的比表面積、較高的熱導率和電導率以及優異的力學性能，將石墨烯作為功能填料或添加劑加入到高聚物中，可以提高聚合物的導熱導電性能。但在石墨烯的應用過程中發現，石墨烯極易發生團聚而在複合材料中難以分散均勻。常用的將石墨烯、樹脂以及助劑經過機械熔融混合法製備的複合材料中，石墨烯無法達到良好的分散，其結果造成石墨烯優異的物理性能不能充分的發揮，同時複合材料的機械性能受到影響。另外有一些常見的化學接枝的方法對石墨烯材料表面進行改性，意在提高石墨烯在高分子聚合物中的分散性，但這種方法往往會破壞石墨烯的晶體結構，從而影響了複合材料的整體性能。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種既可以提高石墨烯在高聚物中的分散性能又不會破壞石墨烯的晶體結構的石墨烯聚氨酯複合材料的製備工藝。
根據本發明的一個方面，提供了了一種石墨烯聚氨酯複合材料的製備方法，包括如下步驟：
將石墨烯加入多元醇中混合均勻；
向石墨烯和多元醇的混合物中加入助劑；
再加入異氰酸酯，與多元醇反應製得石墨烯聚氨酯複合材料。
根據本發明的另一個方面，提供了一種石墨烯聚氨酯複合材料的製備方法，包括如下步驟：
對石墨烯進行預處理，所述預處理包括浸潤、插層、預混和超聲；
將預處理過的石墨烯加入到多元醇中，並加入助劑，混合均勻製得混合液；
對所述混合液進行再處理，所述再處理包括攪拌、超聲和過濾；
對經過再處理的混合液進行高壓均值處理；
向經過高壓均值處理的混合液中加入異氰酸酯，與多元醇反應製得石墨烯聚氨酯複合材料。
在一些實施方式中，所述多元醇選自聚酯多元醇、聚醚多元醇和接枝多元醇中的一種或是幾種。
在一些實施方式中，所述多元醇是羥值為26-37。
在一些實施方式中，所述助劑與石墨烯的質量百分比為0.1％-10％，所述助劑包括催化劑、發泡劑、擴鏈劑、交聯劑和表面活性劑，所述發泡劑選自一氟二氯乙烷、環戊烷、水、二氯乙烷和氟利昂中的一種或多種。
在一些實施方式中，所述異氰酸酯選自二苯甲烷二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯、多亞甲基多苯基多異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、苯二亞甲基二異氰酸酯的一種或幾種。
在一些實施方式中，所述多元醇和異氰酸酯的質量比為100:40-50。
在一些實施方式中，所述多元醇與異氰酸酯的異氰酸酯指數為1.05-1.25。
在一些實施方式中，所述高壓均質處理的壓力為500-2000Bar，所述高壓均質處理的時間為10-30分鐘。
在一些實施方式中，所述石墨烯聚氨酯複合材料包括質量百分比為5％-30％的石墨烯。
其有益效果為：本發明的聚醚多元醇使得石墨烯、助劑能更易製成混合液。
本發明對石墨烯進行預處理，可以減小石墨烯分散的阻力，增加石墨烯的分散效果。對混合物A再處理，確保漿體中無氣泡，使得聚醚多元醇、石墨烯和助劑在溶劑分散的更均勻，漿體更細化。
質量比為100:40-50的聚醚多元醇與異氰酸酯利於石墨烯的分散。
基於石墨烯材料堆積密度小和比表面積大特點，將石墨烯佔石墨烯聚氨酯複合材料的質量百分比控制在1％-30％之內，既能保證石墨烯的性能得到發揮，又可防止聚氨酯不具有機械性能價值。
0.1％-10％的助劑的加入可使石墨烯在有機介質中的分散更為均勻，並增加了複合材料中石墨烯和聚合物間的相容性和結合力。
本發明通過高壓均質的分散方法使團聚的石墨烯解聚並分散到聚醚多元醇中，在高壓的外力作用下，石墨烯層間作用力被消弱，同時藉助石墨烯的六邊形結構與含苯環的樹脂間的範德華作用力，使得原本處於團聚狀態的石墨烯逐漸實現解聚，達到良好的分散狀態，再加入異氰酸酯與聚醚多元醇進行反應，繼而形成均勻穩定的熱傳遞網絡，使製得的複合材料導熱均勻，耐熱性增加。
本發明通過石墨烯更為均勻地分散在聚氨酯中，從而獲得導熱性能良好的聚氨酯複合材料。
具體實施方式
實施例一
對石墨烯進行浸潤、插層、預混和超聲的預處理，取8.7g經過預處理過的石墨烯加入100g羥值為36.5、分子量為4800的330N的聚醚多元醇中，超聲攪拌上述混合物2h，至石墨烯完全分散在聚醚多元醇中。繼續加入0.1g的水、0.2g33％的三乙烯二胺溶液(A33)、0.3g二甲基乙醇胺(DMEA)、6g乙二醇、10g環戊烷後進行攪拌和超聲處理，再進行高壓均質處理至漿體中無大顆粒後過濾。高壓均質處理的壓力為500-2000Bar，所述高壓均質處理的時間為10-30分鐘。向濾液中加入44g異氰酸酯為1.05二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)，迅速攪拌倒入模具中得到石墨烯含量為5％的石墨烯聚氨酯複合材料。
本實施例製得的石墨烯聚氨酯複合材料導熱係數為0.0553W/m K，大於聚氨酯材料的0.022-0.025W/m K的導熱係數，導熱性能顯著提高。因此，石墨烯聚氨酯複合材料的導熱性能比聚氨酯材料顯著增加。表明本石墨烯聚氨酯複合材料中的石墨烯較為均勻地分散在聚氨酯中，並具有較好的導熱性能。
實施例二
對石墨烯進行浸潤、插層、預混和超聲的預處理，將15g經過預處理過的石墨烯加入100g羥值為36.5、分子量為4800的330N聚醚多元醇中，超聲攪拌上述混合物2h，至石墨烯完全分散中聚醚多元醇中。加入0.2g的水，0.2g質量分數為70％的雙(二甲氨基乙基)醚和30％的一縮二丙二醇配成的溶液(A1)、0.85g二甲基乙醇胺(DMEA)、6g乙二醇、16g二氯乙烷後進行攪拌和超聲處理，再進行高壓均質處理至漿體中無大顆粒後過濾。高壓均質處理的壓力為500-2000Bar，所述高壓均質處理的時間為10-30分鐘。向濾液中加入44g異氰酸酯指數為1.05的二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)，並迅速攪拌倒入模具中得到石墨烯含量為10％的石墨烯聚氨酯複合材料。
本實施例製得的石墨烯聚氨酯複合材料導熱係數為0.2026W/m K，大於聚氨酯材料的0.022-0.025W/m K的導熱係數，導熱性能顯著提高。因此，石墨烯聚氨酯複合材料的導熱性能比聚氨酯材料顯著增加。表明本石墨烯聚氨酯複合材料中的石墨烯較為均勻地分散在聚氨酯中，並具有較好的導熱性能。
實施例三
對石墨烯進行浸潤、插層、預混和超聲的預處理，將8.8g石墨烯加入80g羥值為36.5、分子量為4800的330N聚醚多元醇和20g羥值為27.5的接枝聚醚多元醇(POP)混合物中，聚醚多元醇的分子量為4800，超聲攪拌上述混合物2h，至石墨烯完全分散。加入0.2g的水，0.2gA1、0.85g二甲基乙醇胺(DMEA)、6g乙二醇、16g二氯乙烷後進行攪拌和超聲處理，再進行高壓均質處理至漿體中無大顆粒後過濾。高壓均質處理的壓力為500-2000Bar，所述高壓均質處理的時間為10-30分鐘。向濾液中加入50g異氰酸酯指數為1.25的異佛爾酮二異氰酸酯，並迅速攪拌倒入模具中得到石墨烯含量為5％的石墨烯聚氨酯複合材料。
本本實施例製得的石墨烯聚氨酯複合材料導熱係數為0.1682W/m K，大於聚氨酯材料的0.022-0.025W/m K的導熱係數，導熱性能顯著提高。因此，石墨烯聚氨酯複合材料的導熱性能比聚氨酯材料顯著增加。表明本石墨烯聚氨酯複合材料中的石墨烯較為均勻地分散在聚氨酯中，並具有較好的導熱性能。
上述說明已經充分揭露了本發明的具體實施方式。需要指出的是，熟悉該領域的技術人員對本發明的具體實施方式所做的任何改動均不脫離本發明的權利要求書的範圍。相應地，本發明的權利要求的範圍也並不僅僅局限於前述具體實施方式。