一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法技术

一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，首先将氧化石墨烯超声分散于水中；再分别加入分散剂、能够进行自由基聚合的单体、过硫酸盐类引发剂，60‑80℃下聚合2‑8小时；最后加入水合肼，80‑100℃下继续搅拌加热2‑4个小时，冷却至室温，洗涤至中性，冷冻干燥得到改性石墨烯。本发明专利技术方法不破坏石墨烯的结构，且耗能低、工艺简单、化学物质用量少、能够在水中加工和产生。

A Method of Modifying Graphene by Polymerization of Functional Monomers Based on Non-covalent Bond

A non-covalent bond-based method for functional monomer polymerization to modify graphene was proposed. Firstly, graphene oxide was dispersed in water by ultrasound. Then, dispersants, monomers capable of free radical polymerization and persulfate initiators were added respectively, and the graphene oxide was polymerized at 60 80 for 2 8 hours. Finally, hydrazine hydrate was added, stirred and heated at 80 100 for 2 4 hours, cooled to room temperature, and washed to room temperature. Modified graphene was obtained by freeze-drying. The method of the invention does not destroy the structure of graphene, and has the advantages of low energy consumption, simple process, less chemical consumption, and can be processed and produced in water.

【技术实现步骤摘要】
一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法
本专利技术涉及石墨烯
，具体涉及一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯(graphene)是碳原子以SP2杂化方式形成的单原子层材料，表现出特有的机械特性和磁性特性以及纳米尺度。虽然单层石墨烯不易获得，但是可以从石墨中获得多层石墨烯，并具有单层石墨烯的优点，在电催化、生物传感器、生物材料和药物输送等领域具有广阔的应用前景。石墨烯纯碳材料，易聚集凝结，基体的表面附着能力差，分散性差。在使用时一般要经过表面化学改性以共价键键接少量的有机小分子或者聚合物链段，改善石墨烯的在水里、溶剂或者介质中的分散性。传统的基于共价键的改性方法会破坏石墨烯的结构，形成表面缺陷，破坏它的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，不破坏石墨烯的结构，且耗能低、工艺简单、化学物质用量少、能够在水中加工和产生。本专利技术采用的的技术方案是：一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯超声分散于水中；(2)搅拌状态下分别加入分散剂、能够进行自由基聚合的单体、过硫酸盐类引发剂，60-80℃下聚合2-8小时；(3)加入水合肼，80-100℃下继续搅拌加热2-4个小时，冷却至室温，用水洗涤至中性，在冷冻干燥机(压力40Kpa，温度-40℃)中干燥后得到改性石墨烯。进一步地，所述氧化石墨烯与水的质量体积比为50-100mg：40mL。进一步地，步骤(2)的搅拌速度为300-600r/min，温度为15-30℃。进一步地，所述分散剂为乳化剂或者表面活性剂剂，选自硬脂酸，十二烷基苯磺酸钠、季铵化物、脂肪酸钠、十二烷基硫酸钠、烷基磺酸钠、烷基芳基磺酸钠、拉开粉、松香皂、聚醚型表面活性剂、溴化十六烷基三甲铵之一，分散剂在水中的浓度为低于25℃时的临界胶束浓度。进一步地，所述十二烷基磺酸钠和十二烷基硫酸钠在水中的浓度均为5mmol/L，溴化十六烷基三甲铵在水中的浓度为0.5mmol/L。进一步地，所述单体为可以进行自由基聚合的单体，如丙烯酸类、丙烯酸酯类单体。单体选自2-羟乙基甲基丙烯酸酯、丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸三氟乙酯、醋酸乙烯酯、氯乙烯、甲基苯乙烯、苯乙烯之一；所述氧化石墨烯与单体的质量体积比为100mg：0.1-1mL。进一步地，所述过硫酸盐类引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，引发剂与单体的质量体积比为0.015-0.1g:0.3mL。进一步地，所述氧化石墨烯与水合肼的质量体积比为100mg：10-30mL。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术方法基于功能性单体在氧化石墨烯表面聚合，从而附着在氧化石墨烯表面上形成薄膜，用水合肼还原得到聚合物改性的石墨烯，改善石墨烯的分散性。2)本专利技术方法使用的胶束聚合法是基于非共价键，不破坏石墨烯的表面结构，在石墨烯表面原位生成一层功能性聚合物薄膜，根据聚合物薄膜的各种特性，赋予石墨烯相应的性能，如亲水性、分散性、稳定性等，改善石墨烯的分散性、稳定性。3)本专利技术方法耗能低、工艺简单、化学物质用量少、能够在水中加工和产生，具有广泛应用前景。附图说明图1为基于非共价键的石墨烯表面改性的方法流程示意图。图2为基于非共价键的石墨烯表面改性前后的透射电子显微镜照片(TEM)，(a.石墨烯，b和c聚合物改性石墨烯)(标尺-500nm)。图3为基于非共价键的石墨烯表面改性前后的拉曼光谱(Raman)。图4为基于非共价键的石墨烯表面改性前后的热重曲线(TGA)。图5为石墨烯以及各实施例基于非共价键的石墨烯表面改性后与水的接触角变化，(a.石墨烯，b.聚2-羟乙基甲基丙烯酸酯改性的石墨烯，c.聚苯乙烯改性的石墨烯，d.聚丙烯腈改性的石墨烯)。具体实施方式下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。所述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例1一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将100mg氧化石墨烯超声分散于40mL水中，搅拌状态下加入0.0144g十二烷基硫酸钠作为分散剂，加入0.3g2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)单体，超声30分钟再通气10分钟，0.1g过硫酸钾作为引发剂，80℃聚合6小时后，加入15mL水合肼，100℃条件下继续加热2小时，冷却至室温，用水洗涤至中性，在冷冻干燥机(压力40Kpa，温度-40℃)中干燥后得到改性石墨烯。实施例2一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将100mg氧化石墨烯超声分散于40mL超纯水中，搅拌状态下加入0.0544g十二烷基磺酸钠作为分散剂，加入0.3ml丙烯腈(AN)作为单体，超声30分钟再通气10分钟，0.1g过硫酸铵作为引发剂，70℃聚合8小时后，加入15mL水合肼，100℃条件下继续加热2小时，冷却至室温，用超纯水洗涤至中性，在冷冻干燥机(压力40Kpa，温度-40℃)中干燥后得到改性石墨烯。实施例3一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将100mg氧化石墨烯超声分散于40mL超纯水中，搅拌状态下加入0.0729g溴化十六烷基三甲铵(0.5mmol/L)作为分散剂，加入0.3g苯乙烯(St)作为单体，超声30分钟再通气10分钟，0.1g过硫酸钾作为引发剂，80℃条件下聚合6小时后，加入15mL水合肼，100℃条件下继续加热2小时，冷却至室温，用超纯水洗涤至中性，在冷冻干燥机(压力40Kpa，温度-40℃)中干燥后得到改性石墨烯。图1为以上各实施例制备方法的流程图。图2为改性前后的透射电子显微镜照片，从图中明显看出改性后聚合物薄膜附着在石墨烯片层上。图3为改性前后的拉曼光谱，可看出，改性前后拉曼光谱几乎没有变化，这说明本专利技术的改性方法没有导致石墨烯的表面缺陷，是基于非共价键的改性方法。图4为改性前后的热重曲线(TGA)，条件为：氧化石墨烯：单体：引发剂：水＝100mg：0.3ml：0.1g：40ml，从图中得到，改性后的石墨烯复合物中聚合物占40％，石墨烯占60％。图5为石墨烯以及各实施例基于非共价键的石墨烯表面改性后与水的接触角变化，可看出，经过不同功能性单体的改性，石墨烯表面带有不同的官能团，导致他们的水接触角的变化。经亲水性单体2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)聚合改性后，石墨烯亲水；经苯乙烯改性后，石墨烯疏水；经丙烯腈改性后，亲水程度更高。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯超声分散于水中；(2)搅拌状态下分别加入分散剂、能够进行自由基聚合的单体、过硫酸盐类引发剂，60‑80℃下聚合2‑8小时；(3)加入水合肼，80‑100℃下继续搅拌加热2‑4个小时，冷却至室温，洗涤至中性，在压力40Kpa、温度‑40℃条件下于冷冻干燥机中干燥后得到改性石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯超声分散于水中；(2)搅拌状态下分别加入分散剂、能够进行自由基聚合的单体、过硫酸盐类引发剂，60-80℃下聚合2-8小时；(3)加入水合肼，80-100℃下继续搅拌加热2-4个小时，冷却至室温，洗涤至中性，在压力40Kpa、温度-40℃条件下于冷冻干燥机中干燥后得到改性石墨烯。2.如权利要求1所述的一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯与水的质量体积比为50-100mg：40mL。3.如权利要求1所述的一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，其特征在于，步骤(2)的搅拌速度为300-600r/min，温度为15-30℃。4.如权利要求1所述的一种基于非共价键的功能性单体聚合改性石墨烯的方法，其特征在于，所述分散剂为乳化剂或者表面活性剂剂，选自硬脂酸，十二烷基苯磺酸钠、季铵化物、脂肪酸钠、十二烷基硫酸钠、烷基磺酸钠、烷基芳基磺酸钠、拉开粉、松香皂、聚醚型表面活性剂、溴化十六烷基三甲铵之一...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷琳，李蒙蒙，李菲菲，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61