一種優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法，屬于材料化學領域。
【背景技術】
[0002]石墨烯是一種由碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶體結構，是構建其它碳基材料的基本單元。因其獨特的晶體結構，使石墨烯具有優(yōu)異的性質，如超高的導電性能和熱傳導性、強機械性能等。因此，石墨烯在能源材料、復合功能材料領域表現出誘人的應用前景。
[0003]聚合物材料一般具有易成型、穩(wěn)定性良好、耐久性等優(yōu)點，但通常其導電性差，甚至可以說是絕緣材料，使其在應用方面受到極大的限制。因而，為改善聚合物材料的導電性能，使其成為半導體或導體，往往需要添加導電填料。石墨烯自2004年被發(fā)現以來，表現出奇特的電學性能和極高的電子迀移率，使其在作為聚合物導電添加劑方面的研究成為熱點。但隨之而來的石墨烯片在聚合物中的堆疊團聚亦成為阻礙研究進展的難題。所以，將納米尺寸的石墨烯片組裝成三維骨架結構作為填料，不僅可以解決上述難題，還將進一步提高復合材料的導電性能，甚至給復合材料帶來許多奇特的特性。
[0004]然而，只以二維片狀石墨烯構建形成的三維結構體作為聚合物的導電填料，其導電網絡結構單一，在電子的傳輸上難免會出現導電通道阻斷的情況。碳納米管作為一種特殊結構的一維量子材料，可以看成是片狀石墨烯卷曲而成的空心管狀結構，具有很高的長徑比，在導電結構體中多充當“導線”的作用，具有優(yōu)異的電學和力學性能。因此，為構建完整的導電網絡，在原有的三維石墨烯結構體的孔壁間引入具有一定取向的一維碳納米管，形成石墨烯與碳納米管的“面-線”交聯(lián)的多級導電網絡結構體，以此多孔結構體實現聚合物復合材料導電性能的有效提升，不失為一種重要的選擇。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供了一種優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法，主要通過利用等離子體化學氣相沉積技術，在結構穩(wěn)定的三維石墨烯結構體的孔壁之間取向生長碳納米管，形成石墨烯與碳納米管的多級導電網絡，構建出多尺度的多孔碳結構體，與聚合物復合，達到聚合物復合材料導電性能增強的效果。
[0006]本發(fā)明的技術方案通過以下步驟完成:
[0007](I)三維石墨稀結構體經高溫退火處理，得到結構穩(wěn)定的三維石墨稀多孔結構體，并浸漬附著催化劑；
[0008](2)利用等離子體化學氣相沉積技術，在一定溫度和氫氣氛圍中，開啟一定功率的等離子體源，活化三維石墨烯結構體上附著的催化劑，并以含碳氣體為碳源，維持一定的溫度，在石墨烯結構體的孔壁之間生長具有一定取向的碳納米管，獲得石墨烯與碳納米管的多孔碳結構體；
[0009](3)將上述獲得的多孔碳結構體與聚合物復合，制備出具有高導電性的復合材料。
[0010]步驟(1)中所述的高溫退火處理獲得穩(wěn)定結構的三維石墨烯結構體的溫度為600?1200°C，氛圍為氮氣、氬氣、氦氣中的一種或兩種以上混合氣體。
[0011]步驟(1)中所述的催化劑為金屬、復合金屬鹽類等。
[0012]步驟(2)所述的等離子體化學氣相沉積中活化催化劑的溫度為200?500°C ;含碳氣源為甲烷、乙炔等碳氫化合物或是在它們之中混合氫氣、氬氣、氨氣、氮氣中的至少一種；等離子體源的頻率為30?600W ;碳納米管的生長時間為0.5?3h ;控制溫度為300?800。。。
[0013]步驟(3)所述的聚合物材料為聚苯胺、聚二甲基硅氧烷、聚環(huán)氧丙烷、聚酯等。
[0014]該方法在維持三維石墨烯結構體本身特性的情況下，實現了碳納米管在三維石墨烯基體中的定向生長，使作為導電填料的三維石墨烯結構體在聚合物中形成完整精細的電子傳輸通路，而且這種多孔碳結構體增強的聚合物材料表現出優(yōu)異的導電性能，擴大了復合材料的應用空間。
【具體實施方式】
[0015]下面結合具體實施例對本發(fā)明提供的一種優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法進行詳細的說明。
[0016]實施例1:
[0017]通過水熱法制備出三維石墨烯結構體，氮氣氛圍中，在800°C下加熱處理2h，獲得結構穩(wěn)定的超輕三維石墨稀結構體。將其在催化劑前驅體溶液: = 1: 1，CUim= 0.1mol/mL)中浸漬0.5h，液氮預凍后在_50°C下真空冷凍干燥。將所得干燥樣品置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的真空室中，通入氫氣，并控制溫度在300°C維持lh，使催化劑活化。開啟等離子體源，調整功率為350W，在催化劑體系下，維持溫度、功率不變，并保持持續(xù)穩(wěn)定的氫氣流量，按60SCCm通入甲烷氣體，使碳納米管在三維石墨烯結構體的孔壁間分別生長0、0.5h和lh，得到三維石墨烯與碳納米管的多孔碳結構體。
[0018]將上述制備的三種三維多孔碳結構體與聚二甲基硅氧烷真空浸漬復合，制備得到三維多孔碳結構體/聚二甲基硅氧烷復合材料，測試其導電率分別為9.4,16.1和19.3S/m。
[0019]實施例2:
[0020]利用模板法制備三維石墨烯結構體，氮氣氛圍中，在1000°C下加熱處理2h，將該三維石墨稀結構體浸漬在催化劑前驅體溶液(<^_= 0.5mol/mL)中浸漬4h。取出樣品后，將其冷凍干燥。把干燥的樣品置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)真空室的樣品臺上，關閉真空室并抽真空至真空度小于0.1Pa。以50SCCm的流量通入氫氣，控制壓強為200Pa，加熱樣品臺至400°C維持lh。施加200W功率，保持lh，待催化體系形成后升溫至450°C，功率和氫氣流量恒定不變，按lOOsccm通入乙炔氣體使碳納米管在三維石墨稀結構體的孔壁間生長lh，得到三維石墨烯與碳納米管的多孔碳超輕結構體。
[0021]將上述制備的三維多孔碳結構體與聚苯胺流體真空浸漬復合，制備得到三維多孔碳結構體/聚苯胺復合材料，測試其導電率為160.4S/m。
[0022]實施例3:
[0023]利用模板法制備三維石墨烯結構體，氮氣氛圍中，在1000°C下加熱處理2h，將該三維石墨稀結構體在催化劑前驅體溶液(<3硫_0 = 0.5mol/mL)中浸漬4h。取出樣品后，將其冷凍干燥。把干燥的樣品置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)真空室的樣品臺上，關閉真空室并抽真空至真空度小于0.1Pao以50SCCm的流量通入氫氣，控制壓強為200Pa，加熱樣品臺至400°C維持Ih。施加200W功率，保持Ih，待催化體系形成后升溫至450 °C，功率和氫氣流量恒定不變，按120sccm通入乙炔氣體使碳納米管在石墨稀結構體孔壁上生長2h，得到三維石墨稀與碳納米管的多孔碳超輕結構體。
[0024]將上述制備的三維多孔碳結構體與聚苯胺流體真空浸漬復合，制備得到三維多孔碳結構體/聚苯胺復合材料，測試其導電率為1019.6S/m，相比于生長碳納米管Ih的多孔碳結構體增強的復合材料，其導電率提高近I個數量級。
【主權項】
1.一種優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法，其特征在于，在三維石墨烯結構體的孔壁間取向生長碳納米管，形成石墨烯與碳納米管多級網絡，以此多尺度的多孔碳結構體顯著增強聚合物復合材料的導電性能。2.根據權利要求1所述的優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法，其特征在于，所述的方法具體按以下步驟完成: (1)三維石墨烯結構體經高溫退火處理，得到結構穩(wěn)定的三維石墨烯多孔結構體，并浸漬附著催化劑； (2)利用等離子體化學氣相沉積技術，在一定溫度和氫氣氛圍中，開啟一定功率的等離子體源，活化三維石墨烯結構體上附著的催化劑，并維持一定的溫度，以含碳氣體為碳源，在石墨烯結構體的孔壁之間生長具有一定取向的碳納米管，獲得石墨烯與碳納米管的多孔碳結構體； (3)將上述獲得的多孔碳結構體與聚合物復合，制備出具有高導電性的復合材料。3.根據權利要求1所述的優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法，其特征在于，所述的高溫退火處理獲得穩(wěn)定結構的三維石墨烯結構體的溫度為600?1200°C，氛圍為氮氣、氬氣、氦氣中的一種或兩種以上混合氣體。4.根據權利要求1所述的優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法，其特征在于，所述的催化劑為金屬、復合金屬鹽類等。5.根據權利要求1所述的優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法，其特征在于，所述的等離子體化學氣相沉積中活化催化劑的溫度為200?500°C ;含碳氣源為甲烷、乙炔等碳氫化合物或是在它們之中混合氫氣、氬氣、氨氣、氮氣中的至少一種；等離子體源的頻率為30?600W ;碳納米管的生長時間為0.5?3h ;控制溫度為300?800°C。6.根據權利要求1所述的優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法，其特征在于，所述的聚合物材料為聚苯胺、聚二甲基硅氧烷、聚環(huán)氧丙烷、聚酯等。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種優(yōu)化多孔碳結構體/聚合物復合材料導電性能的方法，主要是在三維石墨烯結構體的基礎上高溫退火處理，獲得穩(wěn)定的多孔結構體，利用等離子體化學氣相沉積技術，在三維石墨烯結構體的孔壁間定向生長碳納米管，形成石墨烯與碳納米管的多級網絡，獲得各向同性的多孔碳結構體，作為聚合物的增強體，顯著提高多孔碳結構體/聚合物復合材料的導電性能。本發(fā)明中，碳納米管的引入實現了導電通道的多元化，有利于構建多通道電子傳輸路徑。同時，發(fā)明中涉及的多孔碳結構體還具有低密度、高比表面積、高孔隙率等優(yōu)點。
【IPC分類】C08L79/02, C08L83/04, C08K3/04, C08K7/24
【公開號】CN105238058
【申請?zhí)枴緾N201510664505
【發(fā)明人】徐志偉, 倪亞, 吳騰飛, 滕堃玥, 王維
【申請人】天津工業(yè)大學
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年10月16日