本發(fā)明涉及石墨烯復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯增強(qiáng)母料，特別涉及一種利用電場分散制備墨烯增強(qiáng)母料的方法。

背景技術(shù)：

石墨烯作為近年來應(yīng)用的一種新型的高性能材料，具有增強(qiáng)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、電磁屏蔽、光學(xué)、大的比表面積、強(qiáng)的界面作用等多種獨(dú)特的物理化學(xué)性能，顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯是目前世界上力學(xué)強(qiáng)度最高的材料，其彈性模量高達(dá)1tpa，拉伸強(qiáng)度高達(dá)180gpa，斷裂強(qiáng)度達(dá)到125gpa。因此，石墨烯被認(rèn)為是增強(qiáng)高分子的理想添加劑。特別是在開發(fā)更輕、更強(qiáng)、更節(jié)能、更安全的車輛方面，石墨烯的增強(qiáng)性將使得材料性能更強(qiáng)、更減量化。這對當(dāng)今快速發(fā)展的汽車和高鐵將產(chǎn)生重要的影響。

基于石墨烯對聚合物材料屬性的深刻影響，它在用于改善車輛生產(chǎn)所使用的先進(jìn)復(fù)合材料中，對強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性、耐久性、安全性將產(chǎn)生積極的作用。。理論上，石墨烯粉末作為一種填料可以混入樹脂中直接使用或者預(yù)先制備成高濃度母料再方便的添加于樹脂中使用。然而，鑒于石墨烯為原子級別的層結(jié)構(gòu)，在樹脂中的增強(qiáng)功能是依靠石墨烯與樹脂分子鏈的纏繞而產(chǎn)生。如果不能有效將原子級別的石墨烯分散于樹脂中，其增強(qiáng)性的發(fā)揮會大幅縮減。另一方面，石墨烯在存儲時，通常因納米粒子效應(yīng)而團(tuán)聚，無論是直接用于樹脂還是預(yù)制母料，均需要分散處理。顯然，現(xiàn)有常規(guī)的以分散助劑為主的分散手段是難以將石墨烯有效分散的。

石墨烯的增強(qiáng)機(jī)理不是簡單地物理增強(qiáng)，而是通過石墨烯與樹脂中的分子鏈纏繞使分子鏈變長、分子量增加從而達(dá)到增強(qiáng)的目的。據(jù)報道，氧化石墨烯由于在表面生成羥基、羧基等官能團(tuán)，因此易于分散。但其顯著的劣勢是因石墨烯氧化，界面性能遭到破壞，增強(qiáng)性和電性能幾乎損失，氧化石墨烯由于石墨烯特殊結(jié)構(gòu)受損，對聚合物的纏繞明顯下降，增強(qiáng)性能減弱。這對將石墨烯用于增強(qiáng)領(lǐng)域是致命的。有報道稱，為了提高石墨烯的分散性和對納米粒子錨固作用，對石墨烯進(jìn)行各種共價/非共價的修飾。但官能化石墨烯難以使石墨烯界面與樹脂分子鏈纏繞，同樣降低了石墨烯的增強(qiáng)作用。

由于石墨烯不同于傳統(tǒng)的無機(jī)微粒填料，在制備成母料時分散難度更大，且依靠傳統(tǒng)分散劑難以達(dá)到較佳的分散性。盡管氧化石墨烯或者共價鍵修飾石墨烯促進(jìn)石墨烯的分散，但難以有效發(fā)揮石墨烯界面與樹脂分子鏈纏繞性，其增強(qiáng)作用受限。

為了進(jìn)一步推進(jìn)石墨烯在樹脂增強(qiáng)領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，尋求更為有效的石墨烯分散加入方式尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有石墨烯在樹脂中難以分散的缺陷，本發(fā)明提出一種利用電場分散制備石墨烯增強(qiáng)母料的方法。其顯著的特點(diǎn)是將石墨烯預(yù)先與金屬粉末研磨，通過研磨將石墨烯預(yù)分散，并輔助激光處理使的石墨烯負(fù)載于金屬粉，進(jìn)一步，將負(fù)載有石墨烯的金屬粉與基體樹脂在螺桿機(jī)中熔融分散。特別的在分散時施加交變高頻脈沖電場，使得負(fù)載有石墨烯的金屬粉均勻分散于基體樹脂中獲得高分散的石墨烯增強(qiáng)母料。

為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種利用電場分散制備石墨烯增強(qiáng)母料的方法，其特征在于:將石墨烯預(yù)先與金屬粉末研磨，通過研磨將石墨烯預(yù)分散，并輔助激光處理使的石墨烯負(fù)載于金屬粉，進(jìn)一步，在交變高頻脈沖電場作用下將負(fù)載有石墨烯的金屬粉與基體樹脂在螺桿機(jī)中熔融分散,獲得高分散的石墨烯增強(qiáng)母料；具體制備方法如下：

（1）將40-60重量份的石墨烯、10-15重量份的金屬粉在氣流磨中研磨分散，其中，氣流磨內(nèi)腔研磨室為陶瓷材質(zhì)，在氣流磨研磨過程中，石墨烯與金屬粉以完全懸浮態(tài)接觸，通過對懸浮的石墨烯與金屬粉激光掃描，從而使金屬粉表面微熔化并與石墨烯粘結(jié)負(fù)載；

（2）將步驟（1）負(fù)載石墨烯的金屬粉高壓噴霧冷卻，形成納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)金屬粉；

（3）將步驟(2)得到的納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)金屬粉與1-3重量份的分散劑、30-40重量份的粉末樹脂在100-120℃條件下高速分散30-45min，然后送入雙階式螺桿擠出機(jī)，其中第一階螺桿擠出機(jī)從加料口到螺筒均設(shè)置交變高頻脈沖電場，納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)金屬粉于粉末樹脂在第一階螺桿擠出機(jī)的剪切作用下形成熔體，通過輔助交變高頻脈沖電場，納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)金屬粉在交變高頻脈沖電場作用下在熔體中均勻分散；

（4）步驟(3)分散的物料連續(xù)進(jìn)入第二階螺桿擠出機(jī)，經(jīng)擠壓、拉條切粒，得到石墨烯增強(qiáng)母料。

優(yōu)選的，步驟（1）所述石墨烯為層數(shù)100層以內(nèi)，片徑大于100納米的石墨烯。

優(yōu)選的，步驟（1）所述的金屬粉為粒徑小于500納米的錫粉、鋁粉、銅粉中的一種。

優(yōu)選的，步驟（1）所述的激光波長為200-500納米，掃描周期為10^-8s-10^-9s，較佳的使石墨烯在金屬粉熔化的表面粘接負(fù)載。

優(yōu)選的，步驟（2）所述的高壓噴霧冷卻采用在惰性氣體下以2-5mpa的壓力噴入液氮環(huán)境急速冷卻從而形成納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)金屬粉。

優(yōu)選的，步驟（3）所述的分散劑為聚乙烯蠟、硬脂酸鋅、硬脂酸鈣中的一種。

優(yōu)選的，步驟（3）所述粉末樹脂為過100目篩網(wǎng)的聚乙烯粉末、聚丙烯粉末、聚苯乙烯粉末中的至少一種。使用粉末樹脂，有利于納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)金屬粉與其預(yù)分散。

步驟（3）所述的第一階螺桿擠出機(jī)交變高頻脈沖電場作用時間越長，石墨烯的分散越均勻。優(yōu)選的，物料在第一階螺桿擠出機(jī)中的總停留時間為大于10min。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟（3）所述的第一階螺桿擠出機(jī)溫度在170-200℃，轉(zhuǎn)速在150-200r/min，螺桿的長徑比大于56/1。

優(yōu)選的，步驟（3）所述的交變高頻脈沖電場頻率為4-6khz，電場強(qiáng)度為5kv/cm。

石墨烯由于特殊的納米效應(yīng)，在用于高分子塑料、橡膠增強(qiáng)時因難以分散從而造成增強(qiáng)性能的損失。本發(fā)明創(chuàng)造性的利用激光快速熔化金屬粉表面的屬性，將石墨烯粘接負(fù)載于金屬粉，進(jìn)一步通過在螺桿擠出中施加交變高頻脈沖電場，利用交變高頻脈沖電場不斷使負(fù)載石墨烯的金屬粉改變微運(yùn)動方向、不斷改變運(yùn)動速度從而將石墨烯均勻分散于樹脂中，得到了高分散的石墨烯增強(qiáng)母料。這一將石墨烯均勻分散于樹脂的方法較佳的保留了石墨烯的完全分散狀態(tài)，將該石墨烯增強(qiáng)母料應(yīng)用于增強(qiáng)樹脂、橡膠等高分子材料，不但具有對高分子良好的纏繞增強(qiáng)性能，而且易于散熱。顯著的應(yīng)用于汽車、高鐵等工程塑料，具有增強(qiáng)、抗靜電功能，用于橡膠輪胎具有增強(qiáng)、散熱、耐老化功能。

本發(fā)明一種利用電場分散制備石墨烯增強(qiáng)母料的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點(diǎn)和優(yōu)異的效果在于：

1、通過將石墨烯微片負(fù)載于金屬粉，利用交變高頻脈沖電場實(shí)現(xiàn)了石墨烯良好的分散。

2、通過激光的高效快速掃描，較佳的使石墨烯在金屬粉熔化的表面粘接負(fù)載，使石墨烯在交變高頻脈沖電場作用下具備了不斷改變方向的微運(yùn)動和不斷改變運(yùn)動速度，從而實(shí)現(xiàn)了石墨烯在熔體中的均勻分散。

3、本發(fā)明制備方法工藝簡單，石墨烯分散均勻，適合于規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。

具體實(shí)施方式

以下通過具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下,根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更,均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

實(shí)施例1

（1）將40重量份的層數(shù)100層以內(nèi)，片徑大于100納米的石墨烯、10重量份的粒徑小于500納米的錫粉在氣流磨中研磨分散，其中，氣流磨內(nèi)腔研磨室為碳化硅陶瓷材質(zhì)，在氣流磨研磨過程中，石墨烯與錫粉以完全懸浮態(tài)接觸，通過對懸浮的石墨烯與錫粉進(jìn)行krf準(zhǔn)分子脈沖激光激光掃描，波長約為250nm，掃描周期為10^-9s，從而使錫粉表面微熔化并與石墨烯粘結(jié)負(fù)載；

（2）將步驟（1）負(fù)載石墨烯的錫粉在惰性氣體下以2mpa的壓力噴霧入液氮環(huán)境急速冷卻從而形成納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)錫粉；

（3）將步驟(2)得到的納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)錫粉與1重量份的分散劑聚乙烯蠟、40重量份的粉末樹脂聚乙烯在100-120℃條件下高速分散30min，然后送入雙階式螺桿擠出機(jī)，其中第一階螺桿擠出機(jī)從加料口到螺筒均設(shè)置頻率為6khz，電場強(qiáng)度為5kv/cm的交變高頻脈沖電場，納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)錫粉與粉末樹脂在第一階螺桿擠出機(jī)的剪切作用下形成熔體，交變高頻脈沖電場不斷使負(fù)載石墨烯的錫粉改變微運(yùn)動方向、不斷改變運(yùn)動速度從而將石墨烯均勻分散于熔體中；其中第一階螺桿擠出機(jī)，轉(zhuǎn)速為150r/min，螺桿的長徑比大于65/1，物料第一階螺桿擠出機(jī)中的總停留時間為13min，通過較長時間得交變高頻脈沖電場作用，負(fù)載石墨烯的微細(xì)錫粉分散更為均勻。

（4）步驟(3)分散的物料連續(xù)進(jìn)入第二階螺桿擠出機(jī)，經(jīng)擠壓、拉條切粒，得到石墨烯增強(qiáng)母料。

將實(shí)施例1得到的石墨烯增強(qiáng)母料以5%質(zhì)量比與95%的丁基橡膠（iir）直接共混制備橡膠制品,與5%市售石墨烯母料（直接將石墨烯分散于載體樹脂造粒得到）增強(qiáng)性能相比，實(shí)施例1石墨烯增強(qiáng)母料在增加丁基橡膠楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率方面具有顯著的優(yōu)勢。具體測試能如表1所示。

實(shí)施例2

1）將50重量份的層數(shù)100層以內(nèi)，片徑大于100納米的石墨烯、15重量份的粒徑小于500納米的鋁粉在氣流磨中研磨分散，其中，氣流磨內(nèi)腔研磨室為碳化硅陶瓷材質(zhì)，在氣流磨研磨過程中，石墨烯與鋁粉以完全懸浮態(tài)接觸，通過對懸浮的石墨烯與鋁粉進(jìn)行脈沖激光激光掃描，從而使鋁粉表面微熔化并與石墨烯粘結(jié)負(fù)載；

（2）將步驟（1）負(fù)載石墨烯的鋁粉在惰性氣體下以3mpa的壓力噴霧入液氮環(huán)境急速冷卻從而形成納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)鋁粉；

（3）將步驟(2)得到的納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)鋁粉與2重量份的分散劑硬脂酸鋅、35重量份的粉末樹脂聚丙烯在100-120℃條件下高速分散450min，然后送入雙階式螺桿擠出機(jī)，其中第一階螺桿擠出機(jī)從加料口到螺筒均設(shè)置頻率為4khz的交變高頻脈沖電場，納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)鋁粉與粉末樹脂在第一階螺桿擠出機(jī)的剪切作用下形成熔體，交變高頻脈沖電場不斷使負(fù)載石墨烯的鋁粉改變微運(yùn)動方向、不斷改變運(yùn)動速度從而將石墨烯均勻分散于熔體中；第一階螺桿擠出機(jī)溫度在170-200℃，轉(zhuǎn)速在200r/min，螺桿的長徑比大于56/1，確保物料第一階螺桿擠出機(jī)中的總停留時間為11min；

（4）步驟(3)分散的物料連續(xù)進(jìn)入第二階螺桿擠出機(jī)，經(jīng)擠壓、拉條切粒，得到石墨烯增強(qiáng)母料。

將實(shí)施例2得到的石墨烯增強(qiáng)母料以5%質(zhì)量比與95%的丁基橡膠（iir）直接共混制備橡膠制品,與5%市售石墨烯母料（直接將石墨烯分散于載體樹脂造粒得到）增強(qiáng)性能相比，實(shí)施例2石墨烯增強(qiáng)母料在增加丁基橡膠楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率方面具有顯著的優(yōu)勢。具體測試能如表1所示。

實(shí)施例3

1）將60重量份的層數(shù)100層以內(nèi)，片徑大于100納米的石墨烯、10重量份的粒徑小于500納米的銅粉在氣流磨中研磨分散，其中，氣流磨內(nèi)腔研磨室為碳化硅陶瓷材質(zhì)，在氣流磨研磨過程中，石墨烯與銅粉以完全懸浮態(tài)接觸，通過對懸浮的石墨烯與銅粉進(jìn)行krf準(zhǔn)分子脈沖激光激光掃描，波長約為250nm，掃描周期為10^-9s，從而使錫粉表面微熔化并與石墨烯粘結(jié)負(fù)載；

（2）將步驟（1）負(fù)載石墨烯的銅粉在惰性氣體下以4mpa的壓力噴霧入液氮環(huán)境急速冷卻從而形成納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)銅粉；

（3）將步驟(2)得到的納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)銅粉與3重量份的分散劑聚苯乙烯、30重量份的粉末樹脂聚乙烯在100-120℃條件下高速分散30min，然后送入雙階式螺桿擠出機(jī)，其中第一階螺桿擠出機(jī)從加料口到螺筒均設(shè)置頻率為5khz，電場強(qiáng)度為5kv/cm的交變高頻脈沖電場，納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)銅粉與粉末樹脂在第一階螺桿擠出機(jī)的剪切作用下形成熔體，交變高頻脈沖電場不斷使負(fù)載石墨烯的銅粉改變微運(yùn)動方向、不斷改變運(yùn)動速度從而將石墨烯均勻分散于熔體中；第一階螺桿擠出機(jī)轉(zhuǎn)速在150r/min，螺桿的長徑比大于56/1，確保物料第一階螺桿擠出機(jī)中的總停留時間為大于12min；

（4）步驟(3)分散的物料連續(xù)進(jìn)入第二階螺桿擠出機(jī)，經(jīng)擠壓、拉條切粒，得到石墨烯增強(qiáng)母料。

將實(shí)施例3得到的石墨烯增強(qiáng)母料以5%質(zhì)量比與95%的丁基橡膠（iir）直接共混制備橡膠制品,與5%市售石墨烯母料（直接將石墨烯分散于載體樹脂造粒得到）增強(qiáng)性能相比，實(shí)施例3石墨烯增強(qiáng)母料在增加丁基橡膠楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率方面具有顯著的優(yōu)勢。具體測試能如表1所示。

實(shí)施例4

1）將55重量份的層數(shù)100層以內(nèi)，片徑大于100納米的石墨烯、15重量份的粒徑小于500納米的錫粉在氣流磨中研磨分散，其中，氣流磨內(nèi)腔研磨室為碳化硅陶瓷材質(zhì)，在氣流磨研磨過程中，石墨烯與錫粉以完全懸浮態(tài)接觸，通過對懸浮的石墨烯與錫粉進(jìn)行krf準(zhǔn)分子脈沖激光激光掃描，波長約為250nm，掃描周期為10^-8s，從而使錫粉表面微熔化并與石墨烯粘結(jié)負(fù)載；

（2）將步驟（1）負(fù)載石墨烯的錫粉在惰性氣體下以5mpa的壓力噴霧入液氮環(huán)境急速冷卻從而形成納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)錫粉；

（3）將步驟(2)得到的納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)錫粉與1重量份的分散劑聚乙烯蠟、30重量份的粉末樹脂聚苯乙烯在100-120℃條件下高速分散40min，然后送入雙階式螺桿擠出機(jī)，其中第一階螺桿擠出機(jī)從加料口到螺筒均設(shè)置頻率為4khz，電場強(qiáng)度為5kv/cm的交變高頻脈沖電場，納米級的負(fù)載有石墨烯的微細(xì)錫粉與粉末樹脂在第一階螺桿擠出機(jī)的剪切作用下形成熔體，交變高頻脈沖電場不斷使負(fù)載石墨烯的錫粉改變微運(yùn)動方向、不斷改變運(yùn)動速度從而將石墨烯均勻分散于熔體中；

（4）步驟(3)分散的物料連續(xù)進(jìn)入第二階螺桿擠出機(jī)，經(jīng)擠壓、拉條切粒，得到石墨烯增強(qiáng)母料。

將實(shí)施例4得到的石墨烯增強(qiáng)母料以5%質(zhì)量比與95%的丁基橡膠（iir）直接共混制備橡膠制品,與5%市售石墨烯母料（直接將石墨烯分散于載體樹脂造粒得到）增強(qiáng)性能相比，實(shí)施例4石墨烯增強(qiáng)母料在增加丁基橡膠楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率方面具有顯著的優(yōu)勢。具體測試能如表1所示。

表1：