一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，本发明专利技术步骤包括石墨烯材料预浸润，初级分散，真空超声二次分散，最后在本法涉及的稳定化电场装置中，通过电场稳定化处理而获得石墨烯水性分散液。此方法制备的石墨烯分散液固含量为0.1 wt%‑10 wt%；具有无需添加分散助剂，工序可连续化，制备的浆料可在常温常压环境中保存六个月以上而不发生明显沉降的优势。本发明专利技术具有无需引入外来非石墨烯杂质，分散液使用范围广；分散程度高、工艺简单、绿色、稳定性好的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石墨烯材料分散
，具体涉及一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法及装置。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子经过sp2杂化相互键合而构成的二维单片层状结构的新材料，其基本结构单元为稳定的苯六元环，其理论单层厚度仅为0.35nm，是目前所发现的最薄二维材料。石墨烯是构成其他石墨材料的基本结构单元，可以翘曲形成零维富勒烯、卷曲形成一维碳纳米管、堆叠形成三维石墨或金刚石。这种特殊的结构赋予其独特而神奇的物理化学特性，如石墨烯材料具有高达≥2630m2/g的超高理论比表面积；常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍；石墨烯的热导率可达5000W·m-1·K-1，是金刚石的3倍；电阻率只有约10-6Ω·cm；另外还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁效应等特殊性质，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，被业界视为引领产业革命的关键材料，在移动设备、航天航空、新能源电池等领域拥有广阔的应用前景，目前，国内石墨烯规模化制备技术日趋成熟，但产业化进程发展缓慢。从宏观现象来看是由于石墨烯粉体的体密度极低，在加工中易漂浮，二次加工性能差；与基体材料相容性差，不利于其分散，严重阻碍了其纳米特性的发挥。从应用角度来看，均一稳定，宽浓度范围的石墨烯分散液是其在催化、储能、涂料、复合材料等领域广泛应用的前提条件和关键技术。为此，相关研究和工程技术人员先后开发了石墨烯浆料或分散液，然而，从目前效果来看，石墨烯在液体(水性溶剂或油性溶剂)中的分散性很不理想，易团聚、快沉降、低浓度等缺陷凸显。从石墨烯内在结构特性来看，是由于石墨烯特有的纳米效应、高比表面积、高吸附等特性，决定了其极易发生堆叠团聚且已成为制约其快速发展的瓶颈，因此分散成为提高产品(材料)质量和性能、提高工艺效率不可或缺的技术手段。为了突破这一瓶颈技术，已采用了石墨烯表面改性分散、石墨烯液相剥离等技术来获取石墨烯分散液。石墨烯的分散方法主要包括物理分散和化学分散两大类。物理法如球磨、砂磨、研磨、机械搅拌、超声振荡等；化学法包括表面活性剂改性、溶剂PH值调整、石墨烯接枝改性、石墨烯掺杂等方法。美国Stanford大学戴宏杰团队最早在DMF中，用四丁基溴化季铵盐作为插层剂，采用液相剥离方法获得了石墨烯分散液(Li X，Zhang G，Bai X，et al.Highly conducting graphenesheets and Langmuir-Blodgett films.Nature Nanotechnology，2008，3(9)：538-542)。Lotya M等通过在水中加入十二烷基磺酸钠的表面活性剂，通过液相剥离的方法获得了浓度为0.1mg/mL的石墨烯分散液(LotyaM,HernandezY,King P J,etal.Liquid phase production of grapheme by exfoliation of graphite in surfactant/water solutions.JournalofAmericanChemistrySociety,2009,131(10):3611–3620.)。M.C.Hersam等在乙醇中得到了1mg/mL的石墨烯分散液(Liang Y,Hersam M C.Highly concentrated graphene solutions via polymerenhanced solvent exfoliation and iterative solvent exchange.Journal ofAmerican Chemistry Society,2010,132(50):17661–17663.)，在超声分散时要加入1％的羟乙基纤维素，以调节石墨烯与乙醇表面能的匹配，但其加入的羟乙基纤维素太多，只能用于制备石墨烯复合材料，无法在其它领域得到应用。上述方法均需要采用分散助剂，而分散助剂的存在，在一定程度上降低了石墨烯的性能；此外，这些方法获得的石墨烯浆料的浓度较低，使其应用受到限制。为了获得无分散助剂的分散液，Tour和Pasquali等用石墨直接在酸性体系氯磺酸中制备出浓度高达2mg/mL的石墨烯分散液，但氯磺酸的强酸性严重影响其在储能、催化等领域的应用(Tour J M,PasqualiM.Spontaneous high-concentration dispersions and liquidcrystals of graphene.Nature Nanotechnology,2010,5(6):406–411.)。除了学术论文的报道，我国也已公开较多的石墨烯分散液制备方法。中国专利CN103935995采用引入取代的亲水羧基、羟基，提高石墨烯的水溶性，制备了稳定的石墨烯胶体分散液，该胶体分散液具有丁达尔效应，其zeta电位为-41～-33mV，石墨烯的平均粒径为250～400nm。中国专利CN104071778A公开了一种石墨烯分散液和石墨烯材料粉体的方法，该方法是在水性石墨烯浆料中加入特定的溶剂形成共沸体系，最后通过置换，将其中的水分通过加热蒸发去除，从而获得石墨烯有机系浆料，并可通过进一步干燥去除有机溶剂获得石墨烯粉体材料。中国专利CN104538086A公开了一种水性导电高分子-石墨烯分散液及其制备方法，利用水性导电高分子与石墨烯之间产生强烈的π-π相互作用，通过液相超声剥离石墨，得到高浓度、高稳定的浓度范围为1-10mg/ml的水性导电高分子-石墨烯分散液。上述方法均采用了单一或简单分级的纯机械分散工艺，该工艺具有需要添加分散助剂、分散液稳定性差、分散液浓度较低等缺点。在分散体系中引入外来非石墨烯杂质，不仅阻碍了石墨烯纳米特性的发挥，而且导致在应用中引起不利的副反应或副作用，对石墨烯粉体的应用特性产生不利影响，制约了石墨烯的产业化发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高品质、绿色、无分散助剂、稳定性好的石墨烯水性分散液的制备方法及装置。本专利技术基本原理是通过分级分散技术从而获得稳定的石墨烯水性分散液。其原理为首先将石墨烯物料、水置于搅拌容器中，低速搅拌使石墨烯表面被水充分润湿。然后转移到初级分散设备中，物料在该设备有限空间内高速旋转力或挤压力的作用下，可获得较高的动能，从而使石墨烯片层之间、石墨烯与器壁之间可保证有较高的碰撞几率；同时提供了有极强的剪切力作用，从而使多层堆叠的石墨烯片层滑移而分成更少层的石墨烯片层结构。接着再转移到真空超声装置内进行二级分散，在抽真空的过程中可使以物理吸附形式吸附于石墨烯的气体脱出，同时超声条件下利用空化作用和声流效应，使石墨烯进一步乳化剪切，堆叠效应进一步减弱。最后采用直流电场装置，利用石墨烯分散粒子带微电荷的特性，在较短时间段内施加一定的电场，在电场作用下石墨烯片层表面的电荷进一步增强形成稳定的带电片层，片层之间因静电排斥力而相互原理从而形成稳定的分散液。本专利技术提供了一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，为了实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：(1)预浸润：按石墨烯粉体：水质量比为1：9-999；将石墨烯粉体和水加入搅拌容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）预浸润：按石墨烯粉体：水质量比为1：9‑999；将石墨烯粉体和水加入搅拌容器中，使用搅拌器进行搅拌，并调节搅拌器的转速范围为10‑500rpm，搅拌时间为10‑30min，使水在石墨烯表面充分润湿，获得石墨烯预润湿液；（2）初级分散：将步骤（1）所得石墨烯预润湿液转移到初级分散设备中，控制转速范围为1000‑10000rpm，进行分散0.5‑3h，获得初级分散液；（3）真空超声：将步骤（2）所得初级分散液转移到真空超声装置中，设置真空度范围为‑0.01～‑0.1MPa，超声功率范围为500‑2000W，工作时间范围为1‑30min，获得二级分散液；（4）稳定化：将步骤（3）所得二级分散液置于稳定化电场装置中，施加电压范围为50‑1000V，进行稳定化处理10‑300s，从而获得石墨烯水性分散液。

【技术特征摘要】
1.一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）预浸润：按石墨烯粉体：水质量比为1：9-999；将石墨烯粉体和水加入搅拌容器中，使用搅拌器进行搅拌，并调节搅拌器的转速范围为10-500rpm，搅拌时间为10-30min，使水在石墨烯表面充分润湿，获得石墨烯预润湿液；（2）初级分散：将步骤（1）所得石墨烯预润湿液转移到初级分散设备中，控制转速范围为1000-10000rpm，进行分散0.5-3h，获得初级分散液；（3）真空超声：将步骤（2）所得初级分散液转移到真空超声装置中，设置真空度范围为-0.01～-0.1MPa，超声功率范围为500-2000W，工作时间范围为1-30min，获得二级分散液；（4）稳定化：将步骤（3）所得二级分散液置于稳定化电场装置中，施加电压范围为50-1000V，进行稳定化处理10-300s，从而获得石墨烯水性分散液。2.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（1）中所述石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯、3-4层石墨烯、5-10层石墨烯，氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯微片、石墨烯量子点、石墨烯纳米带、石墨烯纳米片、以及经过化学或物理法在石墨烯中引入原子或官能团后所形成的功能化石墨烯中的一种。3.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（1）中石墨烯粉体：水质量比例为1:19-99。4.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（1）中所述的溶剂是水。5.如权利要求4所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于所述的水为大气水、地下水、地表水、结晶水、生物水、磁化水、纳米水、频谱水、去离子水、蒸馏水、反渗透水或超纯水。6.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（2）初级分散设备转速为6000-10000rpm，搅拌时间为1-1.5h。7.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（2）中所述的初级分散设备包括搅拌强力分散机、盘式分散机、盘式热分散机、高压均质机、高速搅拌机、乳化机、高速分散机、高速分散乳化机、分散均浆机。8.如权利要求7所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于所述的搅拌强力分散机为佛山市南海区诺星机械设备有限公司的NX-500型；莱州市沙河镇明冠化工机械厂生产的200型；盘式分散机为启东汇龙混合设备厂的FS100型；北京中西远大科技有限公司的CN61M/FX20-1000型、德国NK2000石墨烯分散机；盘式热分散机为潍坊市鑫宇菲浩环保科技有限公司的ZPS22—315，山东创新华一环境工程有限公司的CXP型；高压均质机为德国APV高压均质机APV－2000型，廊坊市盛通机械有限...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈成猛，李晓明，孔庆强，谢莉婧，苏方远，何敬奎，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：山西;14