本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種石墨烯的制備方法，包括如下步驟：(1)以石墨粉、濃硫酸、高錳酸鉀粉末、雙氧水、濃鹽酸和去離子水為原料制得酸性多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液，加入堿性溶液調(diào)節(jié)pH值；(2)在多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液中加入碳酸鹽或碳酸氫鹽，攪拌反應(yīng)后得到多雜質(zhì)石墨烯分散液；(3)通過減壓蒸餾濃縮步驟(2)所得的多雜質(zhì)石墨烯分散液，然后向其中緩慢加入非水溶劑至出現(xiàn)的結(jié)晶物不再增加后，停止非水溶劑加入；(4)去除步驟(3)中所得混合溶液中的結(jié)晶物和非水溶劑后獲得石墨烯。該制備方法可以制得缺陷較少、質(zhì)量較高的石墨烯；該石墨烯與表面活性劑混合制得的石墨烯水基分散體分散穩(wěn)定性較好，可以提高其在應(yīng)用體系中的相容性。可以提高其在應(yīng)用體系中的相容性。可以提高其在應(yīng)用體系中的相容性。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種石墨烯、其制備方法及石墨烯水基分散體
[0001]本專利技術(shù)屬于石墨烯
，特別涉及一種石墨烯、其制備方法以及利用該石墨烯所得的石墨烯水基分散體。
技術(shù)介紹
[0002]碳作為世界上存在形式較為豐富的元素，其應(yīng)用的廣泛性與多樣性早已被人們所發(fā)現(xiàn)與重視。碳納米材料是指分散相尺寸至少有一維小于100nm的碳材料。隨著科技的不斷發(fā)展，碳納米材料在人類的生產(chǎn)和生活中正逐漸顯示出不可替代的重要作用。
[0003]2004年被A.Geim和K.Novoselov發(fā)現(xiàn)的石墨烯碳納米材料是由碳原子相互緊密連接在一起形成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的單層平面材料，經(jīng)剪裁包裹形成富勒烯、卷曲形成碳納米管、重疊形成石墨。結(jié)構(gòu)類似于芳烴的石墨烯，由于π
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π鍵的影響導(dǎo)致其化學(xué)性質(zhì)活潑程度偏低、難分散且極易團聚，這也極大地限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。石墨烯的制備方式有很多種，如微機械剝離法、液相剝離法、化學(xué)氣相沉積與外延取向生長法、氧化石墨烯還原制備石墨烯法。其中，微機械剝離法產(chǎn)生的石墨烯品質(zhì)最高但產(chǎn)量非常低，制備的石墨烯僅用于科學(xué)研究；液相剝離法制備的石墨烯分散液中含有的多層石墨烯缺陷少、質(zhì)量高，但無法調(diào)控石墨烯的層數(shù)；化學(xué)氣相沉積與外延取向生長法，這兩種方法對設(shè)備要求高且原料轉(zhuǎn)化率低，制備的石墨烯薄膜附著在基底上難以剝離；氧化石墨烯還原制備石墨烯法，作為現(xiàn)階段的規(guī)模化生產(chǎn)方法，盡管在實際生產(chǎn)中仍在不斷的優(yōu)化和改進，但形成的石墨烯在高端應(yīng)用領(lǐng)域中仍存在一些限制。現(xiàn)如今如何低成本制備缺陷少、層數(shù)少、高質(zhì)量且純度高的石墨烯及具有良好分散性的石墨烯分散體，被廣泛研究，目的是為了更好的將石墨烯應(yīng)用于紡織、涂料、能量存儲和轉(zhuǎn)換設(shè)備等領(lǐng)域。如中國專利CN105949760B公開了一種使用氧化石墨烯分散液加入尼龍單體中加熱混合均勻后，采用分段加熱進行原位聚合的技術(shù)路線，制備高導(dǎo)熱石墨烯/尼龍復(fù)合材料的方法；中國專利CN109666259B揭示了一種改性氧化石墨烯、改性石墨烯和改性石墨烯環(huán)氧樹脂分散液的制備方法，該方法在石墨烯表面接枝苯類剛性化學(xué)基團，利用其空間位阻作用降低石墨烯間的范德華力，并增加石墨烯與環(huán)氧樹脂間的相容性，以此來增加石墨烯在環(huán)氧涂料中的分散效果。制備具有良好分散效果的石墨烯分散體是實現(xiàn)其在紡織、涂料、能量存儲和轉(zhuǎn)換設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，但是，現(xiàn)有的氧化石墨烯及其分散體的制備技術(shù)存在操作復(fù)雜、效率低等一系列缺陷，限制了石墨烯在上述領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
[0004]國內(nèi)外公開了大量石墨烯及其分散體的制備和應(yīng)用技術(shù)，如中國專利CN102066245B公開了一種石墨烯分散體的制備方法，其實施例1中表示石墨烯的制備是將Hummer
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s改進法中獲得的氧化石墨烯經(jīng)透析純化，經(jīng)超聲、離心等處理方式后，再在堿溶液中加入還原劑(肼、硼氫化鈉等)還原氧化石墨烯。一般情況下，離心的目的是為了除去未剝離的石墨，但需要較多的設(shè)備投入和時間投入，并且肼、硼氫化鈉等還原劑的環(huán)境污染風(fēng)險較大。中國專利CN102701187B公開了一種石墨烯的制備方法和使用該方法制備的石墨烯，以石墨為原料，在石墨層間插入金屬制的石墨層間化合物，然后剝離該化合物制備石墨烯。
盡管這種制備石墨烯的方法成本低，但剝離得到的石墨烯片層可能會由于金屬原子無序性長大破環(huán)石墨烯的結(jié)構(gòu)，同時引入金屬也限制了石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域。美國專利US9950930B2公開了一種石墨烯的制備方法，先將碳基材料與分散劑形成分散液，然后將分散液連續(xù)穿過出入口之間連接有微米級直徑的微孔道的高壓均質(zhì)機，進而剝離碳基材料形成納米級厚度的石墨烯。與之對應(yīng)的，韓國專利KR102097814B1中公開了一種高壓均質(zhì)機及使用該均質(zhì)機制造石墨烯的方法，對高壓均質(zhì)機中的微孔道進行了詳細的描述，具體包括第一流動通道中的多個第一隔板和第二流動通道中的多個第二隔板。
[0005]制備水基石墨烯分散體，經(jīng)常會根據(jù)應(yīng)用體系要求，選擇合適的分散劑體系，例如，在涂料領(lǐng)域方面，一般是以石墨烯液體添加其中，其結(jié)果一方面改善涂料的硬度、耐磨性、抗氧化性、固化速率、流變性等性能，另一方面使涂料獲得某種特殊性能，如防腐、導(dǎo)電、阻燃等。但石墨烯碳納米材料一般具有較高的比表面積，不易分散。中國專利CN107010614A公開了一種碳納米材料的水基分散液及其制備方法，提出可以選擇石墨烯納米材料、表面活性劑、還原性糖在水中共混后經(jīng)研磨、靜態(tài)混合制備得到分散穩(wěn)定性良好的石墨烯碳納米材料水基分散液。中國專利CN105645387B公開了一種石墨烯分散劑及其應(yīng)用，這種分散劑是具有電活性的苯胺低聚物衍生物，能夠與石墨烯形成π
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π復(fù)合物。
技術(shù)實現(xiàn)思路
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種石墨烯、其制備方法及石墨烯水基分散體；該制備方法結(jié)合氧化還原工藝、堿液還原工藝以及非水溶劑結(jié)晶剝離工藝制得缺陷較少、質(zhì)量較高的石墨烯；該石墨烯與表面活性劑混合制得的石墨烯水基分散體分散穩(wěn)定性較好，可以提高其在應(yīng)用體系中的相容性。
[0007]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本專利技術(shù)通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0008]一種石墨烯的制備方法，包括如下步驟：
[0009](1)以石墨粉、濃硫酸、高錳酸鉀粉末、雙氧水、濃鹽酸和去離子水為原料制得酸性多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液，然后向其中加入堿性溶液，調(diào)節(jié)pH值≥7；
[0010](2)在步驟(1)所得的多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液中加入碳酸鹽或碳酸氫鹽，攪拌反應(yīng)后得到多雜質(zhì)石墨烯分散液；
[0011](3)通過減壓蒸餾濃縮步驟(2)所得的多雜質(zhì)石墨烯分散液至原有體積的1/10～1/50后，向其中緩慢加入非水溶劑至出現(xiàn)的結(jié)晶物不再增加后，停止非水溶劑加入；
[0012](4)經(jīng)分層、過濾、水洗、干燥去除步驟(3)中所得混合溶液中的結(jié)晶物和非水溶劑后獲得純凈的石墨烯。
[0013]進一步的，步驟(1)中，酸性多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液的具體制備過程為：將干燥的石墨粉加入到攪拌狀態(tài)下的95～98％濃硫酸中，在2～5℃的溫度條件和攪拌狀態(tài)下繼續(xù)緩慢加入高錳酸鉀粉末后，將其升溫至35～40℃，保持該狀態(tài)攪拌2～4h后，再將所得溶液轉(zhuǎn)移到去離子水的冰水混合物中，然后向所得溶液的水稀釋液中加入雙氧水，待溶液呈現(xiàn)金黃色且產(chǎn)生的氣泡逐漸消散后，再加入濃鹽酸，得到酸性多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液。
[0014]其中，干燥的石墨粉與95～98％濃硫酸的比值為1:25(w/v)，干燥石墨粉與高錳酸鉀粉末的比值為1:(3.5～4.0)(w/w)，冰水混合物與95～98％濃硫酸的比值為5:1(v/v)，高錳酸鉀粉末與雙氧水的比值為1:(2～3)(w/v)，濃鹽酸與95～98％濃硫酸的比值為0.5:1
(v/v)。
[0015]進一步的，所述雙氧水的濃度≥25％，優(yōu)選為30％；濃鹽酸的濃度≥35％，優(yōu)選為35～37％。
[0016]進一步的，所述石墨粉為鱗片狀、純度≥95％、目數(shù)在500～1200目之間且含水量＜0.1％的石墨本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種石墨烯的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)以石墨粉、濃硫酸、高錳酸鉀粉末、雙氧水、濃鹽酸和去離子水為原料制得酸性多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液，然后向其中加入堿性溶液調(diào)節(jié)pH值；(2)在步驟(1)所得的多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液中加入碳酸鹽或碳酸氫鹽，攪拌反應(yīng)后得到多雜質(zhì)石墨烯分散液；(3)通過減壓蒸餾濃縮步驟(2)所得的多雜質(zhì)石墨烯分散液，然后向其中緩慢加入非水溶劑至出現(xiàn)的結(jié)晶物不再增加后，停止非水溶劑加入；(4)經(jīng)分層、過濾、水洗、干燥去除步驟(3)中所得混合溶液中的結(jié)晶物和非水溶劑后獲得石墨烯。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，酸性多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液的具體制備過程為：將干燥的石墨粉加入到攪拌狀態(tài)下的95～98％濃硫酸中，在2～5℃的溫度條件和攪拌狀態(tài)下繼續(xù)緩慢加入高錳酸鉀粉末后，將其升溫至35～40℃，保持該狀態(tài)攪拌2～4h后，再將所得溶液轉(zhuǎn)移到去離子水的冰水混合物中，然后向所得溶液的水稀釋液中加入雙氧水，待溶液呈現(xiàn)金黃色且產(chǎn)生的氣泡逐漸消散后，再加入濃鹽酸，得到酸性多雜質(zhì)的氧化石墨烯分散液。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種石...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳鵬，呂仕銘，宋文強，楊德佑，
申請(專利權(quán))人：常熟世名化工科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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