一种改性氧化石墨烯/PMMA复合材料的制备方法与流程

本发明属于高分子复合材料领域，具体涉及一种改性氧化石墨烯/pmma复合材料的制备方法。

背景技术：

石墨烯的结构是紧密排列的六角型蜂巢晶格，其中的碳原子皆以sp²杂化轨道通过共价键构成。正是由于石墨烯如此特殊的晶体结构，使其具有优异的电性能，机械性能，以及热性能等，纯石墨烯由稳定六元环构成，具有化学惰性，容易团聚，并且在其他介质中分散性很差，这对石墨烯在应用方面的研究带来一定的困难，而石墨烯的衍生物氧化石墨烯，与石墨烯结构相差不大，氧化石墨烯也为二维层状结构，由于制备过程中的强氧化作用，层间含有大量的含氧基团，如羧基，羟基和环氧基等，与石墨烯相比，氧化石墨烯在超声后可以在水中或有机溶剂中良好分散形成稳定的胶状悬浮液。

高聚物/氧化石墨烯(改性氧化石墨烯)复合材料存在的最主要问题就是氧化石墨烯在复合材料中的分散性比较差，因此众多氧化石墨烯改性的目的都在于此，氧化石墨烯本身的剥离情况以及在基体中的分散均一性是制备相关增强复合材料的基础。基于氧化石墨烯/高聚物复合材料目前的研究，今后探究的方向主要是改性氧化石墨烯在溶剂或基体中的分散性，探究一种简单可行的改性氧化石墨烯的方法，使其不止用于一种聚合单体。二维材料石墨烯/氧化石墨烯优良的性能，未来在氧化石墨烯/高聚物复材领域的应用发展仍是现如今研究热点之一。

技术实现要素：

本发明针对现有氧化石墨烯/高聚物复合材料制备过程中存在氧化石墨烯剥离不完全，在基体中分散性较差的技术问题，提供一种改性氧化石墨烯/pmma复合材料的制备方法，具体制备工艺步骤如下：

(1)改进hummers法制备氧化石墨烯：将1g石墨粉，0.5g硝酸钠，23ml浓硫酸冰浴中搅拌后缓慢分批加入3g高锰酸钾。升温35℃反应7小时呈现深棕色且粘稠状混合溶液，加入50ml蒸馏水，迅速升温至95℃搅拌半小时后停止加热，待温度稍降后分批加入100ml蒸馏水以及10ml双氧水，通过离心，洗涤，冷冻干燥得到氧化石墨烯；

(2)制备胺基化氧化石墨烯：将步骤(1)中得到的氧化石墨烯超声分散在100mln,n-二甲基甲酰胺(浓度为1mg/ml)中，结束后加入4，4-二氨基二苯醚于70～90℃下反应20～30h，通过离心，洗涤，真空干燥得到氧化石墨烯接枝4,4-二氨基二苯醚(go-oda)；其中，加入的4，4-二氨基二苯醚与氧化石墨烯的质量比为2～4:10。

(3)制备改性氧化石墨烯：将步骤(2)得到的go-oda，加入甲基丙烯酸甲酯单体中配以机械搅拌超声分散，得到go-oda和甲基丙烯酸甲酯单体的混合溶液，后取过氧化二苯甲酰(bpo)溶于甲苯中，然后加入到混合溶液中，在n2保护下于50～60℃反应4～6h，离心洗涤干燥制得氧化石墨烯接枝聚甲基丙烯酸甲酯(即改性氧化石墨烯go-g-pmma)，其中，甲基丙烯酸甲酯、过氧化二苯甲酰与go-oda的质量比为：65～70:3～20:1。

(4)制备聚甲基丙烯酸甲酯复合材料：将步骤(3)制得的go-g-pmma分散于四氢呋喃(thf)中，得到的混合溶液与溶有聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)的thf溶液共混，采用铸膜法制备go-g-pmma/pmma复合材料，其中，go-g-pmma与pmma的质量比为0.3～0.6:100。

步骤(3)所述的过氧化二苯甲酰以逐滴缓慢的方式加入，以保证体系中产生的自由基成功引发聚合且温度变化不大，降低对聚合物分子量的影响。

步骤(3)所述的go-oda和过氧化二苯甲酰构成的引发体系为氧化还原引发体系，可以直接在氧化石墨烯表面原位引发聚合得到氧化石墨烯接枝聚甲基丙烯酸甲酯。

有益效果：

本发明利用改进hummers法制备氧化石墨烯，再选用4,4-二氨基二苯醚对氧化石墨烯进行接枝改性，提高了氧化石墨烯在甲苯中的分散性，同时使氧化石墨烯带有可以反应的胺基，然后再采用此胺基与过氧化二苯甲酰构建氧化还原体系直接在氧化石墨烯表面原位引发聚合得到氧化石墨烯接枝聚甲基丙烯酸甲酯，再用表面接枝改性的氧化石墨烯作为改性填料经溶液共混制备氧化石墨烯接枝聚合物纳米复合材料。

本发明方法通过在氧化石墨烯表面接枝4,4-二氨基二苯醚与过氧化二苯甲酰构建氧化还原体系在氧化石墨烯表面原位引发聚合得到氧化石墨烯接枝聚甲基丙烯酸甲酯能够提高改性后的氧化石墨烯在聚合物中的分散性，且反应条件温和，安全性高，操作简单；在氧化石墨烯表面直接引发甲基丙烯酸甲酯聚合，一方面改善了氧化石墨烯在复合材料中的分散性，另一方面也是对氧化石墨烯的部分还原，使得复合材料的热性能，电阻率在填料添加量较少时就有较大的提高；采用原位聚合和溶液共混法共同制备复合材料，进一步提高了氧化石墨烯在聚合物基体中的分散性。

附图说明

图1为实施例1中氧化石墨烯和石墨粉的x射线衍射谱图；

图2为实施例1中氧化石墨烯，胺基化氧化石墨烯及氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯的红外谱图；

图3为氧化石墨烯，胺基化氧化石墨烯及实施例1，2，3中氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯的x射线衍射谱图；

图4为改性后的go-oda在甲苯中的分散情况；

图5为未改性go在甲苯中的分散情况；

图6为纯pmma，实施例1，2，3和对比例1中复合材料的热失重曲线；

图7为纯pmma和实施例1，2，3中复合材料的x射线衍射谱图。

具体实施方式

本发明下面结合实施例作进一步详述：

实施例1：

(1)改进hummers法制备氧化石墨烯：将1g石墨粉，0.5g硝酸钠，23ml浓硫酸冰浴中搅拌30min，于1h内缓慢分批加入3g高锰酸钾进行低温反应。结束后升温至35℃进行中温反应，结束后加入50ml蒸馏水，迅速升温至95℃进入高温反应0.5小时后停止加热，分批加入100ml蒸馏水以及10ml双氧水，静置后离心，配制质量分数为5％的盐酸溶液、蒸馏水洗涤后冷冻干燥24h得到氧化石墨烯；

实验证明，通过以上改进hummers法制备的氧化石墨烯氧化程度高，在水中分散性好，由图1可知，相比于石墨粉，氧化石墨烯在2θ＝9.96°处出现峰型较宽的衍射峰，这是由于在氧化石墨烯制备过程中强氧化作用使得石墨层与层之间存在氧化物插层的现象，层间距扩大且在表面和边缘引入大量的含氧官能团，石墨晶格沿着c轴的层间距变大。图2所示的红外谱图可知改进hummers法成功在石墨片层表面引入含氧基团：羧基、羟基和环氧基。

(2)胺基化氧化石墨烯的制备：取一定量步骤(1)中得到的0.1g氧化石墨烯超声分散在100mln，n-二甲基甲酰胺(浓度为1mg/ml)并置于三口烧瓶中，加入0.3goda，在n2下80℃下反应24小时，后离心，dmf洗涤n，n-二甲基甲酰胺，于55℃真空干燥24h得到胺基化氧化石墨烯(go-oda)；

图2中红外谱图曲线b在1495cm^-1和1232cm^-1处出现了对应-ar-nh2芳香胺和c-o-c二芳醚的特征吸收峰，表明胺基化氧化石墨烯制备成功，图3所示x射线衍射图中曲线a相比于曲线b，衍射角向小度数偏移，层间距进一步扩大；图4与图5比较表明oda成功引至氧化石墨烯表面，go-oda在甲苯中分散性很好，有利于下一步接枝反应的进行。

(3)氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯的制备：取0.035g步骤(2)中得到的go-oda，超声分散在5.0ml单体mma中，后逐滴加入溶有0.105gbpo的甲苯溶液，于n2保护下于60℃反应5h，离心，洗涤，干燥得到氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯；

(4)称取7.0gpmma粒料溶于thf中，将步骤(3)得到的氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯0.035g分散在10mlthf中得到混合溶液，逐滴加入溶有pmma的thf溶液中，采用聚四氟乙烯板铸膜法得到pmma复合材料。

实验发现，采用go-oda和bpo构建氧化还原体系成功在氧化石墨烯表面引发甲基丙烯酸甲酯聚合，图1中曲线c处在1730左右出现聚甲基丙烯酸甲酯特征吸收峰。由图3可知氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯后，衍射峰向小角度偏移，通过布拉格方程可知层间距变大，这归因于片层表面引入了聚甲基丙烯酸甲酯长链结构，对比其他曲线差异不大，表明材料整体仍保持层状结构，接枝后衍射峰变宽表明层间距分布不如氧化石墨烯有序，这是由于接枝的高分子聚甲基丙烯酸甲酯存在分子量分布。

实施例2

(1)改进hummers法制备氧化石墨烯方法同实施例1；

(2)胺基化氧化石墨烯的制备同实施例1；

(3)制备改性氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯：取0.035g步骤(2)中得到的go-oda，超声分散在5.0ml单体mma中，后逐滴加入溶有0.35gbpo的甲苯溶液，于n2保护下于60℃反应5h，离心，洗涤，干燥后分散在thf中；

(4)称取7.0gpmma粒料溶解于thf，将(3)中得到的氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯0.035g分散在thf中得到混合溶液，逐滴加入溶有pmma的thf溶液中，采用聚四氟乙烯板铸膜法得到pmma复合材料。

实施例3

(1)改进hummers法制备氧化石墨烯方法同实施例1；

(2)胺基化氧化石墨烯的制备同实施例1；

(3)制备改性氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯：取0.035g步骤(2)中得到的go-oda，超声分散在5.0ml单体mma中，后逐滴加入溶有0.70gbpo的甲苯溶液，于n2保护下于60℃反应5h，离心，洗涤，干燥后分散在thf中；

(4)称取7.0gpmma粒料溶解于thf，将(3)中得到的氧化石墨烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯0.035g分散在thf中得到混合溶液，逐滴加入溶有pmma的thf溶液中，采用聚四氟乙烯板铸膜法得到pmma复合材料。

由图6可知在相同改性氧化石墨烯添加量的情况下，三种不同引发剂比例得到的复合材料初始分解温度都有一定的提高。此现象归因于go-g-pmma特殊的片层结构，go-g-pmma相比于go层间距增加但仍保持了go片层结构，在材料热分解过程中一定程度减缓了复合材料的分解速率。除此之外go-g-pmma的接枝物pmma与基体pmma有一定的相互作用，有利于go-g-pmma更好的分散在复合材料中，两者共同作用使得go-g-pmma/pmma的初始分解温度在go-g-pmma低添加量的情况下就得到一定程度的提高。对比实施例1中热失重曲线相比纯pmma相差不大，这归因于mma聚合过程中，氧化石墨烯仅以改性填料分散于pmma中，分散性不如改性go，且go与基体材料pmma没有强相互作用。图7曲线b,c,d较于a，所有样品在10-20°都出现pmma典型非晶弥散峰且并未出现其他明显衍射峰，这表明改性go是成功剥离成少层或单层的状态，均匀分布在基体pmma中。

对比实施例1

(1)改进hummers法制备氧化石墨烯方法同上述实施例1；

(2)取步骤(1)制备的氧化石墨烯0.5g超声分散在100mln,n-二甲基甲酰胺(浓度为1mg/ml)中，取2.5ml单体mma，0.035gbpo，在n2保护下60℃反应5h，产物用甲醇沉淀，并洗涤数次，干燥备用。

(3)称取7.0gpmma粒料溶于thf中，取步骤(2)得到的0.035g石墨烯填充的聚甲基丙烯酸甲酯分散在10mlthf中得到混合溶液，逐滴加入溶有pmma的thf溶液中，采用聚四氟乙烯板铸膜法得到pmma复合材料。

表1

由表1可知，通过采用表面接枝改性的氧化石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯复合得到的复合材料的电阻率相比于纯聚甲基丙烯酸甲酯均有一定程度的降低，这归因于氧化石墨烯表面通过氧化还原体系成功接枝聚甲基丙烯酸甲酯，其表面还原使得氧化石墨烯表面π键共轭体系部分恢复从而提高电子流通性。未接枝改性的氧化石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯复合制备的复合材料电阻率与纯聚甲基丙烯酸甲酯相差不大，因氧化石墨烯表面含氧基团对片层共轭结构有一定破坏，其电性能较差。