一種分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料及其制備方法，該石墨烯納米片材料分散在天然多糖中。本發(fā)明采用天然多糖與固體石墨混合，添加一定比例的溶劑或不做任何添加直接將混合物進(jìn)行機(jī)械研磨，得到分散在天然多糖納米材料中的厚度為0.35nm～7nm、單層或多層的石墨烯納米片復(fù)合材料。本發(fā)明所制備的石墨烯納米片材料將天然多糖作為分散劑分散在石墨烯納米片周圍，石墨烯納米片與天然多糖界面的疏水部位達(dá)到納米尺度上的融合，產(chǎn)生強(qiáng)烈相互作用(范德華力)，增加了相互之間的親和性，從而抑制了石墨烯納米片的再聚集，同時(shí)也抑制了天然多糖常見的一些晶形轉(zhuǎn)變，獲得性能穩(wěn)定的石墨烯納米片材料。
【專利說明】一種分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種分散在纖維素中的石墨烯納米片材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料。具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨材料經(jīng)剝離后會(huì)得到單層或多層石墨烯納米片。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面發(fā)生彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。石墨烯的這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使其具有異常優(yōu)異的導(dǎo)電性，完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)，以及良好的力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。但是石墨烯所具有的疏水性和易團(tuán)聚的特點(diǎn)，限制了其廣泛應(yīng)用。
[0003]目前，石墨烯的主要制備方法有:化學(xué)氣相沉積法(CVD)、碳化硅基底上的外延生長(zhǎng)法、基于石墨及其衍生物的直接合成法、電化學(xué)方法、切割碳納米管法、模板法、有機(jī)合成法、氧化石墨烯(GO)的化學(xué)還原法和機(jī)械劈裂法。然而，迄今為止石墨烯的制備水平只是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，工業(yè)化生產(chǎn)還面臨如何低成本、大規(guī)模制備出期望結(jié)構(gòu)的石墨烯等問題。氧化石墨GO的化學(xué)還原法是目前應(yīng)用較多的制備石墨烯納米片的方法，但是其制備過程還是存在復(fù)雜、規(guī)模小的問題，另外還原石墨烯所得到的石墨烯納米片會(huì)因?yàn)檫€原方法的不完全而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上存在一定的缺陷。
[0004]石墨烯因其優(yōu)異的性能、極大的比表面積，非常適合于高性能復(fù)合材料的開發(fā)。目前已有的石墨烯復(fù)合材料可以分為兩類:石墨烯/無機(jī)物復(fù)合材料和石墨烯/聚合物復(fù)合材料。而已有的制備石墨烯復(fù)合材料的方法也主要有兩種:先讓氧化石墨與其他材料復(fù)合，再將其中的氧化石墨還原得到石墨烯納米復(fù)合材料；或是用改性過的石墨烯與其他材料復(fù)合。多糖與石墨烯的復(fù)合材料報(bào)道還不是很多。目前已有的少數(shù)的一些關(guān)于纖維素、殼聚糖等聚合物與石墨烯納米片的復(fù)合材料的制備也脫不開這兩種常規(guī)的制備方法，這樣的復(fù)合效果勢(shì)必會(huì)受相互之間的共混程度的影響。為了有效地體現(xiàn)石墨烯納米片的功能，石墨烯納米片應(yīng)該均勻地分散于復(fù)合材料中。
[0005]我們發(fā)明了一種制備方法，可以簡(jiǎn)單、大規(guī)模制備石墨烯納米片，并獲得由纖維素納米材料穩(wěn)定分散的石墨烯納米片材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的第一個(gè)技術(shù)問題提供一種分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料。
[0007]本發(fā)明要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是是提供一種分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法。
[0008]為了解決上述第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料，石墨烯納米片材料分散在天然多糖中。
[0009]所述的天然多糖選自纖維素、甲殼素、淀粉、殼聚糖中的一種或多種。
[0010]優(yōu)選地，所述的纖維素為天然草本植物或天然木本植物的一種或多種。
[0011]優(yōu)選地，所述的纖維素包括由天然草本植物或天然木本植物所得到的再生纖維素的一種或多種。
[0012]優(yōu)選地，所述的纖維素包括由天然草本植物或天然木本植物所得到的纖維素衍生物的一種或多種。
[0013]為了解決第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種制備所述分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法，該方法包括以下步驟:天然多糖與固體石墨混合，將混合物進(jìn)行機(jī)械研磨，得到分散在天然多糖納米材料中的厚度為0.35nm~7nm、單層或多層的石墨烯納米片復(fù)合材料。
[0014]優(yōu)選的，在天然多糖和固體石墨混合物中加入溶劑后再進(jìn)行機(jī)械研磨。
[0015]優(yōu)選的，固體石墨占天然多糖重量的0.lwt%_80wt%。更優(yōu)選地，固體石墨占天然多糖重量的0.5%-30%。
[0016]優(yōu)選的，研磨條件為100-500r.p.m,研磨時(shí)間為1_100小時(shí)。更優(yōu)選地，研磨條件為200-400r.p.m,研磨時(shí)間為2-50小時(shí)。
[0017]優(yōu)選地，所述溶劑選自DMF、甲苯、苯、丙酮、水中的一種或多種；優(yōu)選地，溶劑質(zhì)量為天然多糖的0.01倍-500倍。更優(yōu)選地，溶劑質(zhì)量為天然多糖的0.05倍-100倍。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019]1、由天然多糖分散的石墨烯納米片材料使得石墨烯納米片與天然多糖納米纖維達(dá)到納米尺度上的融合，從而抑制了石墨烯納米片的再聚集，同時(shí)也抑制了天然多糖常見的一些晶形轉(zhuǎn)變，獲得了性能比較穩(wěn)定的石墨烯納米片材料。
[0020]2、采用本發(fā)明制備分散在天然多糖中的石墨烯納米片，通過機(jī)械研磨得到了大批量、由天然多糖穩(wěn)定分散的石墨烯納米片材料，簡(jiǎn)單易行，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]本發(fā)明所包含的附圖用于提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解。
[0022]圖1:本發(fā)明所得分散在纖維素中的石墨烯納米片材料的透射電鏡照片
[0023]圖2:本發(fā)明所得由纖維素衍生物羧甲基纖維素CMC分散的石墨烯納米片的掃描電鏡照片。

【具體實(shí)施方式】
[0024]為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0025]實(shí)施例1:
[0026]一種制備所述分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0027]天然草本纖維素來源的微晶纖維素與固體石墨按99:1重量混合，將混合物加入到研磨機(jī)中，不加任何研磨劑進(jìn)行機(jī)械研磨，研磨轉(zhuǎn)數(shù)300r.p.m，時(shí)間16h，得到了分散在天然草本纖維素中的厚度為0.35~7nm單層石墨烯納米片材料。
[0028]實(shí)施例2:
[0029]同實(shí)施例1，不同之處在于將天然草本纖維素替換成天然木本纖維素；所述天然木本纖維素與固體石墨按20:1重量混合；研磨轉(zhuǎn)數(shù)500r.p.m,時(shí)間2h ;得到了分散在天然木本纖維素中的厚度為0.35~7nm單層石墨烯納米片材料。
[0030]實(shí)施例3:
[0031]一種制備所述分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法，該方法包括以下步驟:天然草本纖維素與固體石墨按1:1重量混合，將混合物加入到研磨機(jī)中，再加入50倍天然多糖質(zhì)量的溶劑DMF進(jìn)行機(jī)械研磨,研磨轉(zhuǎn)數(shù)300r.p.m,時(shí)間24h ;得到了分散在天然草本纖維素中的厚度在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料(如圖1)。
[0032]實(shí)施例4:
[0033]同實(shí)施例3，不同之處在于將天然草本纖維素替換成天然木本纖維素，天然木本纖維素與固體石墨按5:1重量混合，將混合物加入到研磨機(jī)中，再加入500倍天然木本纖維素質(zhì)量的甲苯溶劑進(jìn)行機(jī)械研磨，研磨轉(zhuǎn)數(shù)300r.p.m，時(shí)間100h。得到了分散在天然木本纖維素中的厚度在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料。
[0034]實(shí)施例5:
[0035]同實(shí)施例3，不同之處在于將天然草本纖維素替換成淀粉，淀粉與固體石墨按10:1重量混合，將混合物加入到研磨機(jī)中，再加入100倍淀粉質(zhì)量的丙酮溶劑進(jìn)行機(jī)械研磨，研磨轉(zhuǎn)數(shù)300r.P.m,時(shí)間50h,得到了分散在淀粉中的厚度為在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料。
[0036]實(shí)施例6:
[0037]同實(shí)施例3，不同之處在于將天然草本纖維素替換成甲殼素，甲殼素與固體石墨按20:1重量混合，將混合物加入到研磨機(jī)中，再加入0.05倍甲殼素質(zhì)量的DMF溶劑進(jìn)行機(jī)械研磨，研磨轉(zhuǎn)數(shù)200r.p.m,時(shí)間40h,。得到了分散在甲殼素中的厚度在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料。
[0038]實(shí)施例7:
[0039]同實(shí)施例3，不同之處在于將天然草本纖維素替換成殼聚糖。得到了分散在殼聚糖中的厚度在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料。
[0040]實(shí)施例8:
[0041 ] 同實(shí)施例3，不同之處在于將溶劑DMF替換成水。得到了分散在天然草本纖維素中的厚度在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料。
[0042]實(shí)施例9:
[0043]同實(shí)施例3，不同之處在于將溶劑DMF替換成甲苯。得到了分散在天然草本纖維素中的厚度在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料。
[0044]實(shí)施例10:
[0045]同實(shí)施例3，不同之處在于將溶劑DMF替換成苯。得到了分散在天然草本纖維素中的厚度在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料。
[0046]實(shí)施例11:
[0047] 一種制備所述分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法，該方法包括以下步驟:纖維素衍生物羧甲基纖維素(CMC)與固體石墨按1:1重量混合，將混合物加入到研磨機(jī)中再加入10mL的水進(jìn)行機(jī)械研磨，，研磨轉(zhuǎn)數(shù)200r.p.m,研磨時(shí)間24h,得到了分散在天然纖維素納米材料中的厚度在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料。(如圖2)
[0048]實(shí)施例12:
[0049]同實(shí)施例11，不同之處在于將纖維素衍生物羥甲基纖維素替換成再生纖維素。得到了分散在再生纖維素中的厚度在0.35nm~7nm范圍內(nèi)的單層或多層石墨烯納米片材料。
[0050]顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
【權(quán)利要求】
1.一種分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料，其特征在于:石墨烯納米片材料分散在天然多糖中。
2.如權(quán)利要求1所述的分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料，其特征在于，所述的天然多糖選自纖維素、甲殼素、淀粉、殼聚糖中的一種或多種。
3.如權(quán)利要求2所述的分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料，其特征在于，優(yōu)選地，所述的纖維素為天然草本植物或天然木本植物的一種或多種。
4.如權(quán)利要求2所述的分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料，其特征在于，優(yōu)選地，所述纖維素包括由天然草本植物或天然木本植物所得到的再生纖維素的一種或多種。
5.如權(quán)利要 求2所述的分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料，其特征在于，優(yōu)選地，所述的纖維素包括由天然草本植物或天然木本植物所得到的纖維素衍生物的一種或多種。
6.一種制備如權(quán)利要求1所述的分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:天然多糖與固體石墨混合，將混合物進(jìn)行機(jī)械研磨，得到分散在天然多糖納米材料中的厚度為0.35nm~7nm、單層或多層的石墨烯納米片復(fù)合材料。
7.如權(quán)利要求6所述的分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法，其特征在于，優(yōu)選的，在天然多糖和固體石墨混合物中加入溶劑后再進(jìn)行機(jī)械研磨。
8.如權(quán)利要求6或7所述的分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法，其特征在于，優(yōu)選的，固體石墨占天然多糖重量的0.lwt%-80wt% ;更優(yōu)選地，固體石墨占天然多糖重量的 0.5wt%-30wt%o
9.如權(quán)利要求6或7所述的分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法，其特征在于，優(yōu)選的，研磨條件為100-500r.p.m,研磨時(shí)間為0.5-100小時(shí)；更優(yōu)選地，研磨條件為200-400r.p.m,研磨時(shí)間為2-50小時(shí)。
10.如權(quán)利要求7所述的一種分散在天然多糖中的石墨烯納米片材料的制備方法，其特征在于，優(yōu)選地，所述溶劑選自DMF、甲苯、苯、丙酮、水中的一種或多種；優(yōu)選地，溶劑質(zhì)量為天然多糖的0.01倍-500倍；更優(yōu)選地，溶劑質(zhì)量為天然多糖的0.05倍-100倍。
【文檔編號(hào)】C08K3/04GK104072808SQ201310100203
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月26日
【發(fā)明者】吳敏, 黃勇, 空閑重則, 孫佩佩 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所