專利名稱：一種石墨烯均勻分散液的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是納米新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種石墨烯均勻分散液的制備方法。
背景技術(shù)：
從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，就一直備受來自物理和材料領(lǐng)域研究者的普遍青睞。石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)碳質(zhì)材料。盡管石墨烯只有一個碳原子層厚度，并且是已知材料中最薄的一種，然而卻非常牢固堅硬。石墨烯同時也是目前已知導(dǎo)電性最出色的材料。此外，石墨烯還有許多優(yōu)異的性能，如高熱導(dǎo)率、巨大的比表面積等等。由于石墨烯的特殊性能，它在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、傳感器、儲能等方面有廣泛的應(yīng)用前景。為了將石墨烯應(yīng)用在上述領(lǐng)域，首先要解決的問題是能夠制備出聞質(zhì)量的石墨稀以及實現(xiàn)大規(guī)1旲生廣。石墨烯材料的制備方法主要有微機(jī)械剝離法(膠帶法)、氧化-還原法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)等，其中膠帶法由于能獲得純度和結(jié)構(gòu)完整性最佳的石墨烯，在微結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能等基礎(chǔ)研究中得到廣泛應(yīng)用，但這種方法產(chǎn)率極低。氧化-還原法能夠批量生廣石墨稀材料，雖然這種石墨稀材料表面含氧基團(tuán)(如輕基、環(huán)氧基、竣基和擬基等)無法徹底消除，影響其導(dǎo)電性能，但適合用于制備輕質(zhì)、高強(qiáng)度的聚合物復(fù)合材料。由于氧化階段使用發(fā)煙硫酸、硝酸、高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑，還原階段使用了水合肼、金屬鈉和鉀、對苯二酚、硼氫化鈉等有毒、易燃易爆強(qiáng)還原劑，這種方法在規(guī)模生產(chǎn)過程中將遇到嚴(yán)重的廢水處理、防火防爆等問題，同時工序復(fù)雜與原料價格高也將使生產(chǎn)成本面臨挑戰(zhàn)。CVD法可以較大面積(厘米尺度)的制備單層或低層數(shù)石墨烯材料，在器件制造方面具有很大的應(yīng)用潛力，但石墨烯薄膜尺寸仍然受制于過渡金屬襯底(Cu，Ni，Ru等)的尺寸，而且膜轉(zhuǎn)移工藝復(fù)雜，如何保持產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性將是器件批量制造的關(guān)鍵。從工業(yè)生產(chǎn)的可行性考慮，石墨烯材料的生產(chǎn)方法需要具備低成本、無污染、工藝簡單、可連續(xù)批量生產(chǎn)等特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種操作簡單、成本低廉、易于大量制備石墨烯的方法。本發(fā)明以石墨原料粉在高溫高壓環(huán)境下在表面活性劑水溶液中熱剝離制備石墨烯。本發(fā)明的步驟為(I)按照O. 2 20g/L的濃度配制表面活性劑水溶液；(2)將石墨原料粉與表面活性劑水溶液按I 100g/L濃度進(jìn)行混合，形成懸浮液， 并加入帶有攪拌裝置的高壓反應(yīng)釜；(3)調(diào)節(jié)反應(yīng)釜攪拌轉(zhuǎn)速為50 300rpm，調(diào)節(jié)釜內(nèi)溫度100 300°C，反應(yīng)釜內(nèi)對應(yīng)的絕對壓強(qiáng)為O. I 8. 6MPa，在高溫高壓環(huán)境下對石墨原料粉保溫處理5 24小時后取出漿料；(4)對衆(zhòng)料進(jìn)行高速離心分離，離心轉(zhuǎn)速為1000 2000rpm,離心15 45min使得未剝離的石墨顆?；?qū)訑?shù)多的石墨烯通過離心力作用沉淀，上層溶液即是單層和數(shù)層石墨烯的混合分散液。本發(fā)明所述的石墨原料粉為人工合成石墨粉、天然石墨粉、高溫?zé)峤馐刍蚩膳蛎浭?。本發(fā)明所述的表面活性劑為聚醚P-123，聚山梨酯-80，聚乙二醇辛基苯基醚 X-100。聚乙烯吡咯烷酮，聚山梨酯-85，十二烷基苯磺酸鈉，十二烷基硫酸鈉，脫氧膽酸鈉等非離子和陰離子表面活性劑。木發(fā)明所述的制備裝置為帶攪拌的高壓反應(yīng)釜。本發(fā)明的優(yōu)點是1、原材料價格低廉；表面活性劑可循環(huán)利用，可實現(xiàn)低成本、連續(xù)、大批量規(guī)模生產(chǎn)；2、生產(chǎn)過程中無廢水、廢氣排放，使用的原材料無腐蝕性、毒害或易燃易爆品；3、未使用強(qiáng)氧化劑，不對石墨烯導(dǎo)電共軛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大破壞，可用于制備高導(dǎo)電性能的功能材料；4、制備的石墨烯分散液剝離良好，分散性和穩(wěn)定性優(yōu)異。


圖I為石墨粉XRD圖；圖2為實例I中制備的石墨烯的XRD圖；圖3為實例I中制備的石墨烯的TEM照片；圖4為對比例I中未完全剝離開的石墨粉的TEM照片。圖5為本專利實施的流程圖
具體實施例方式實施例I取Ig可膨脹石墨粉，加入IOOOmL O. 2g/L的聚山梨酯-80水溶液中，將高壓反應(yīng)釜升溫至200°C，保持?jǐn)嚢柁D(zhuǎn)速200rpm進(jìn)行水熱保溫處理6小時，然后漿液IOOOrpm離心分離20min，獲得上層溶液即為石墨烯分散液。該分散液室溫下靜置2小時無沉降現(xiàn)象，表明穩(wěn)定性良好。圖1、2中002和004峰為石墨化特征峰，石墨烯的002和004峰強(qiáng)度相對石墨降低很多說明石墨被有效剝離層數(shù)降低；在石墨烯的XRD圖中10. 6°位置未出現(xiàn)氧化石墨的001特征峰說明氧化程度小表面共軛結(jié)構(gòu)破壞少。實施例2取IOg高溫?zé)峤馐?，加入IOOOmL 2g/L的十二烷基苯磺酸鈉水溶液中，將高壓反應(yīng)釜升溫至160°C，保持?jǐn)嚢柁D(zhuǎn)速180rpm進(jìn)行水熱保溫處理10小時，然后漿液1500rpm 離心分離40min，獲得上層溶液即為石墨烯分散液，該分散液室溫下靜置2小時無沉降現(xiàn)象，表明穩(wěn)定性良好。所得產(chǎn)品XRD圖與實施例I相似，石墨烯的002和004峰強(qiáng)度相對比石墨降低很多，10. 6°位置未出現(xiàn)氧化石墨的001特征峰。實施例3取IOOg可膨脹石墨粉，加入IOOOmL 20g/L的聚醚P-123水溶液中，將高壓反應(yīng)釜升溫至180°C，保持?jǐn)嚢柁D(zhuǎn)速160rpm進(jìn)行水熱處理16小時，然后漿液2000rpm離心分離
430min，獲得上層溶液即為石墨烯分散液，室溫下靜置2小時無沉降現(xiàn)象，表明分散液穩(wěn)定性良好。所得產(chǎn)品XRD圖與實施例I相似，石墨烯的002和004峰強(qiáng)度相對比石墨降低很多，10. 6°位置未出現(xiàn)氧化石墨的001特征峰。對比例I取IOg高溫?zé)峤馐?，加入IOOOmL水中，將密閉反應(yīng)釜升溫至160°C，保持?jǐn)嚢柁D(zhuǎn)速180rpm進(jìn)行水熱處理10小時,然后衆(zhòng)液1500rpm離心分離40min。該分散液室溫下靜置2小時沉降明顯。對比例2取Ig可膨脹石墨粉，加入IOOOmL O. 2g/L的聚山梨酯-80水溶液中，在室溫下保持?jǐn)嚢柁D(zhuǎn)速200rpm進(jìn)行處理6小時,然后衆(zhòng)液IOOOrpm離心分離20min。該分散液室溫下靜置2小時沉降明顯。對比例3取IOg高溫?zé)峤馐?，加入IOOOmL 2g/L的四丁基氟化銨水溶液中，將高壓反應(yīng)釜升溫至160°C，保持?jǐn)嚢柁D(zhuǎn)速ISOrpm進(jìn)行水熱保溫處理10小時，然后漿液1500rpm離心分離40min，該分散液室溫下靜置2小時沉降明顯。以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯均勻分散液的制備方法，其步驟為(1)配制表面活性劑水溶液，濃度為O.2 20g/L ；(2)將石墨原料粉與表面活性劑水溶液按I 100g/L濃度進(jìn)行混合，形成懸浮液，并加入帶攪拌裝置的高壓反應(yīng)釜；(3)調(diào)節(jié)反應(yīng)釜轉(zhuǎn)速為50 300rpm，調(diào)節(jié)釜內(nèi)溫度為100 300°C，反應(yīng)釜內(nèi)對應(yīng)的絕對壓強(qiáng)為O. I 8. 6MPa。在高溫高壓環(huán)境下對石墨原料粉保溫處理5 24小時后取出漿料；(4)對衆(zhòng)料進(jìn)行高速離心分離，離心轉(zhuǎn)速為1000 2000rpm,離心時間15 45min使得未剝離的石墨顆?；?qū)訑?shù)多的石墨烯通過離心力作用而沉淀，上層溶液即是單層和數(shù)層石墨烯的分散液。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種石墨烯均勻分散液的制備方法，其特征是所述的石墨原料粉為人工合成石墨粉、天然石墨粉、高溫?zé)峤馐刍蚩膳蛎浭邸?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的均勻分散液的制備方法，其特征是表面活性劑為非離子和陰離子表面活性劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的均勻分散液的制備方法，其特征是表面活性劑為聚醚P-123， 聚山梨酯-80，聚乙二醇辛基苯基醚X-100，聚乙烯吡咯烷酮，聚山梨酯-85，十二烷基苯磺酸鈉，十二烷基硫酸鈉，脫氧膽酸鈉。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石墨烯均勻分散液的制備方法，屬于納米新材料技術(shù)領(lǐng)域。其步驟為(1)配制0.2～20g/L濃度的表面活性劑水溶液；(2)將石墨原料粉與表面活性劑水溶液按1～100g/L濃度進(jìn)行混合，形成懸浮液，并加入帶攪拌的高壓反應(yīng)釜中；(3)調(diào)節(jié)高壓反應(yīng)釜轉(zhuǎn)速50～300rpm，釜內(nèi)溫度100～300℃對石墨原料粉保溫處理5～24小時后取出漿料；(4)漿料1000～2000rpm離心15～45min，上層溶液即是單層和數(shù)層石墨烯的分散液。本發(fā)明制備過程所使用的表面活性劑水溶液可循環(huán)使用、無廢氣排放；使用的原材料無腐蝕性、毒害，非易燃易爆品；本工藝不對石墨烯原生共軛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大破壞；可實現(xiàn)低成本、大批量制備分散性和穩(wěn)定性優(yōu)異的石墨烯分散液。
文檔編號C01B31/04GK102583335SQ201210018109
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者何光裕, 孫小強(qiáng), 席海濤, 施健, 李丹, 汪信, 陳海群, 馬凱 申請人:常州大學(xué)