一种制备高质量石墨烯材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备高质量石墨烯材料的新方法，为满足大批量、高质量、低成本工业化生产石墨烯的实际需求提供技术方案。本发明专利技术方法以始终维持混合溶液表面张力、粘度等物理参数在一定范围内为制备原则，在实时测定混合溶液表面张力和粘度的同时随时调节或随机添加各种原料，并采用剪切乳化机等剪切搅拌设备进行剪切搅拌和/超声波处理得到石墨烯分散液。本发明专利技术可获得横向尺寸非常大、浓度极高的厚度在4层以内的石墨烯，由于采用的是非氧化法，所得石墨烯电导率较高；本发明专利技术方法较为简易，无需采用复杂工艺流程，适合大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石墨烯
，具体涉及一种制备高质量石墨烯材料的新方法。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子组成的特殊二维材料，因其具有高导电性、高机械强度、超大比表面积、高热导等极其优异的综合物理性能，在电子、航天军工、新能源等各种领域具有重要应用价值。为了实现和满足石墨烯的大规模工业化生产和实际应用需求，石墨烯的生产制备方法需至少满足三个重要因素：高质量、大批量、低成本，尽管目前国内外有许多关于石墨烯制备方法的报道，但从高质量、低成本量产等实际需求来看，大多数已报道的石墨烯制备方法都具有各种各样的缺陷。比如，气相沉积法（CVD）和SiC热分解法虽可以满足生产高质量石墨烯的要求，但同时具有成本较高、工艺复杂的缺陷；Coleman等人(J.Am.Chem.Soc.2009,131,3611–3620)通过在十二烷基苯磺酸钠和水的溶液中超声处理石墨的方法制得了性能较好的石墨烯，但所获得石墨烯分散液浓度却极低(0.002～0.05g/L)，难以大规模量产，因而不符合大批量的要求；氧化法是目前最常用的制备石墨烯的方法，该方法相对容易量产且工艺相对简单，但所获得的石墨烯的物理性能却由于强氧化剂等物质的作用受到较大破坏，虽然近年来人们进一步提出氧化还原法来还原处理氧化石墨烯，使制得的石墨烯产品性能有较大改善，但这类方法中使用的强氧化剂、强还原剂等物质却存在腐蚀性强、毒性大、环境成本高等缺点和问题；此外，其他还有许多新的石墨烯制备方法，但通常都会涉及如制备工艺复杂、难以大规模量产、成本高、环境危害大等等一系列问题，能同时满足高质量、大批量、低成本三个重要因素的石墨烯制备方法目前相对较少。因而，为了进一步满足石墨烯产业化应用的实际需求，寻求一种工艺简单、生产成本低，并同时不会大幅度降低石墨烯综合物理性能和造成较高环境成本的简易量产方法具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于设计提供一种制备高质量石墨烯材料的新方法的技术方案。所述的一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于包括以下工艺步骤：1）使水流经磁场进行磁化处理，得到表面张力为50～60mN/m的磁化处理水，并将该磁化处理水加入至容器中；2）将石墨和/或BN参数调节物质加入步骤1）的容器中形成混合溶液，再对该混合溶液进行剪切搅拌和/或超声波处理，实时测定该混合溶液的表面张力和粘度，并通过在该混合溶液中添加石墨、水和/或BN参数调节物质，始终使混合溶液的BN参数值维持在9～58000范围内；3）将步骤2）所得的石墨烯分散液去除溶剂后，即得到石墨烯产品。所述的一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于所述的步骤1）中磁化处理的磁场强度为0.02～10T。所述的一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于所述的步骤2）中BN参数由混合溶液的表面张力和粘度共同定义：BN参数的数值=混合溶液表面张力数值×混合溶液粘度值，表面张力数值以mN/m为单位，粘度以mPa·s为单位，表面张力取值范围为20～61，粘度取值范围为0.3～1000。所述的一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于所述的步骤2）中BN参数调节物质为聚乙二醇、聚乙烯醇、柠檬酸钠、诱惑红、喹啉黄、胭脂红、酸性红、丙二醇、甘油、甘醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇、三乙醇胺、二乙醇胺、烷基苯磺酸盐、烷基苯磺酸盐衍生物、烷基二苯醚二磺酸盐、烷基二苯醚二磺酸盐衍生物、烷基萘磺酸盐、烷基萘磺酸盐衍生物、烷基二萘醚磺酸盐和烷基二萘醚磺酸盐衍生物中的一种或任意几种的混合物。所述的一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于所述的步骤2）中石墨为天然石墨、高定向热裂解石墨、膨胀石墨和微晶人造石墨中的一种或任意几种的混合物。所述的一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于所述的步骤3）中去除溶剂方法具体为离心、抽滤、加热烘干、冷冻干燥和喷雾干燥中的一种或多种。所述的一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于原料中未剥离的剩余石墨，作为原料继续循环利用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1）本专利技术首次提出采用磁化处理水来制备石墨烯，可以很有效地提高石墨烯制备效率。人们很早以前就已经发现当水流经磁场并横向切割磁力线的时候会使水的表面张力大幅降低，但鲜有采用磁化水来制备石墨烯的报道；而本专利技术方法中采用磁化水来制备石墨烯可以大量节省原本须用来调节降低混合溶液表面张力的原料物质的用量，如表面活性剂等，这对于工业化大规模量产石墨烯而言具有很重要的意义，可以大大降低成本。2）本专利技术首次提出通过BN参数将混合溶液的表面张力和粘度统一到一起形成联动和互相制约的机制，并在生产过程中实时监测混合溶液的表面张力、粘度、温度等会随时间不断变化的物理参数，从而可相应地实时调控各种原料的加入量、顺序、添加速度、剪切搅拌速率等制备参数来大大提高石墨烯制备效率，能非常有效地产生和稳定大量高质量石墨烯的分散液，优选方案所得石墨烯平均层数可为4层以下。使获得的石墨烯分散液浓度非常高，优选方案可达11g/L以上，该浓度系迄今文献报道中，采用相同混合物质和相似方法来制备石墨烯所少见的高浓度。3）本专利技术制备的石墨烯产品可具多孔结构且横向尺寸非常大，可达上百微米以上，迄今具有类似结果的文献报道不多。4）本专利技术中不涉及使用强氧化剂，因而不会像传统氧化法一样严重破坏石墨烯结构性能，从而能使本方法生产的石墨烯保有较高的物理性能，优选方案所得石墨烯电导率数量级为104～105S/m；此外，本专利技术方法中不涉及使用其他特殊的插层物质、强还原剂等成本较高或会对环境产生严重危害的化学原料，因而成本较低廉且环境危害性小；本专利技术方法中使用的大多数原料均为常见的化学原料，且方法非常简易，不涉及非常复杂的操作工艺，非常适合大规模工业化生产。5）本专利技术中的石墨烯的生产制备方法能同时满足大规模工业化生产和实际应用所需的三个重要因素：高质量、大批量、低成本，能在低成本基础上生产出同时具备高浓度、低层数、高电导、大尺寸等优异综合特征的石墨烯产品。附图说明图1为本专利技术制得的石墨烯的原子力显微镜图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。实施例1：（1）将水以垂直磁场方向的方式流经多块磁场强度为1.1T的钕铁硼永磁铁之间的磁场区域，使水的表面张力降至54mN/m并随后加入容器中。（2）将膨胀石墨、天然石墨、聚乙二醇、喹啉黄、胭脂红、柠檬酸钠和十二烷基二苯醚二磺酸钠加入步骤（1）的容器中，用高速剪切乳化机以3500rpm转速搅拌3.5小时得到石墨烯分散液，过程中根据实测得的表面张力和粘度来调节或随机添加各种原料（原料为膨胀石墨、天然石墨、聚乙二醇、喹啉黄、胭脂红、柠檬酸钠、十二烷基二苯醚二磺酸钠、水），使溶液的BN参数（BN参数的数值=混合溶液表面张力数值×混合溶液粘度值，表面张力数值以mN/m为单位，粘度以mPa·s为单位，表面张力取值范围为20～61，粘度取值范围为0.3～1000）始终维持在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于包括以下工艺步骤：1）使水流经磁场进行磁化处理，得到表面张力为50～60 mN/m的磁化处理水，并将该磁化处理水加入至容器中；2）将石墨和/或BN参数调节物质加入步骤1）的容器中形成混合溶液，再对该混合溶液进行剪切搅拌和/或超声波处理，实时测定该混合溶液的表面张力和粘度，并通过在该混合溶液中添加石墨、水和/或BN参数调节物质，始终使混合溶液的BN参数值维持在9～58000范围内；3）将步骤2）所得的石墨烯分散液去除溶剂后，即得到石墨烯产品。

【技术特征摘要】
1.一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
1）使水流经磁场进行磁化处理，得到表面张力为50～60mN/m的磁化处理水，并将该磁化处理水加入至容器中；
2）将石墨和/或BN参数调节物质加入步骤1）的容器中形成混合溶液，再对该混合溶液进行剪切搅拌和/或超声波处理，实时测定该混合溶液的表面张力和粘度，并通过在该混合溶液中添加石墨、水和/或BN参数调节物质，始终使混合溶液的BN参数值维持在9～58000范围内；
3）将步骤2）所得的石墨烯分散液去除溶剂后，即得到石墨烯产品。
2.如权利要求1所述的一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于所述的步骤1）中磁化处理的磁场强度为0.02～10T。
3.如权利要求1所述的一种制备高质量石墨烯材料的新方法，其特征在于所述的步骤2）中BN参数由混合溶液的表面张力和粘度共同定义：BN参数的数值=混合溶液表面张力数值×混合溶液粘度值，表面张力数值以mN/m为单位，粘度以mPa·s为单位，表面张力取值范围为20～61...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑烨亮，陈佳敏，
申请(专利权)人：临安万杵材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33