一种磺酸基功能化石墨烯分散体系及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种磺酸基功能化石墨烯分散体系及其制备方法，该分散体系包括以下组分：磺酸基功能化石墨烯、纳米纤维素以及有机溶剂；至少部分纳米纤维素复合在磺酸基功能化石墨烯的表面；有机溶剂，至少用以均匀分散和/或溶解分散体系中的其余组分而形成均匀分散体系。其制备方法包括以下步骤：将磺酸基功能化石墨烯分散在有机溶剂中，得磺酸基功能化石墨烯分散液；将纳米纤维素加入到磺酸基功能化石墨烯分散液中，经水浴搅拌和超声分散，即得。该磺酸基功能化石墨烯分散体系稳定性好，不易发生团聚，该磺酸基功能化石墨烯分散体系的制备方法操作简单。

【技术实现步骤摘要】
一种磺酸基功能化石墨烯分散体系及其制备方法
本专利技术涉及功能化石墨烯
，具体涉及一种磺酸基功能化石墨烯分散体系及其制备方法。
技术介绍
石墨烯材料是由单层碳原子以sp2杂化构成的、具有碳六元环结构的紧密排列蜂窝状二维原子晶体的新型纳米材料。具有优异的力学性能、良好的电学性能和热传导性能；在多功能复合材料、纳米电子元器件、传感器、储能材料等诸多领域有着广泛的应用前景。石墨烯经磺化后可得到磺酸基功能化石墨烯，磺酸基功能化石墨烯表面含有大量的磺酸根和含氧官能团，具有极大的比表面积，其亲水性和修饰性能优异。将磺酸基功能化石墨烯借助有机介质分散在复合材料体系中能够起到结构-功能一体化的效果，能够抑制复合材料的随机缺陷裂纹，对材料塑性的强化有明显作用，显著改善脆硬性材料的力学性能等。然而，由于磺酸基功能化石墨烯中的石墨烯主体为稳定的苯环结构，石墨烯片层之间存在很强的范德华力，导致石墨烯与其他介质之间的相互作用弱，很难在溶剂中分散开来，故磺酸基功能化石墨烯借助有机溶剂添加在复合材料时会发生团聚，不仅起不到提升材料性能的作用，还可能会在材料内部形成缺陷，降低材料的性能。因此，磺酸基功能化石墨烯在有机溶剂中的均匀分散问题成为磺酸基功能化石墨烯广泛应用的一大阻碍。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种磺酸基功能化石墨烯分散体系及其制备方法，以解决现有技术中将磺酸基功能化石墨烯分散在有机溶剂中后容易发生团聚的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种磺酸基功能化石墨烯分散体系，包括以下组分：磺酸基功能化石墨烯、纳米纤维素以及有机溶剂；至少部分纳米纤维素复合在磺酸基功能化石墨烯的表面；有机溶剂，至少用以均匀分散和/或溶解分散体系中的其余组分而形成均匀分散体系。进一步地，分散体系的组分中还含有：偶联剂，偶联剂与纳米纤维素的质量比为(1～3):1；偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH560或KH1770中的一种或两种。进一步地，磺酸基功能化石墨烯为双亲型磺酸基功能化石墨烯，其表面含有亲水性官能团和亲油性官能团，亲水性官能团主要为磺酸基团。根据本专利技术的另一方面，提供了一种磺酸基功能化石墨烯分散体系的制备方法，包括以下步骤：S1：将磺酸基功能化石墨烯分散在有机溶剂中，得磺酸基功能化石墨烯分散液；S2：将纳米纤维素加入到步骤S1所得磺酸基功能化石墨烯分散液中，经水浴搅拌和超声分散后，即得磺酸基功能化石墨烯分散体系。进一步地，将纳米纤维素加入到磺酸基功能化石墨烯分散液中之前，先用偶联剂对纳米纤维素进行表面改性，表面改性的方法如下：将纳米纤维素溶于水，加入偶联剂进行表面改性，然后依次经过滤、洗涤、烘干得到改性纳米纤维素；偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH560或KH1770中的一种或两种；硅烷偶联剂与纳米纤维素的质量比为(1～3):1。进一步地，步骤S1中，磺酸基功能化石墨烯通过将非晶态高分子聚合物和磺化剂混合，加热，经一次性脱氢及自缩聚反应制备得到，所述磺化剂选自浓硫酸、苯磺酸和氯磺酸中的任意一种。进一步地，步骤S2中，将所得纳米纤维素和所得磺酸基功能化石墨烯分散液混合的具体过程为：将所得纳米纤维素缓慢加入到所得磺酸基功能化石墨烯分散液中，控制加入时间为8min～12min；纳米纤维素和磺酸基功能化石墨烯分散液的质量比为(0.01～0.03):(1.2～1.8)。进一步地，步骤S1中，磺酸基功能化石墨烯分散液中磺酸基功能化石墨烯的质量分数为5％～10％。进一步地，步骤S1中，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、丙酮和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种；步骤S2中，纳米纤维素为通过硫酸水解法得到的纳米纤维素晶须。进一步地，步骤S2中，水浴搅拌的温度为40℃～50℃，搅拌时间为0.8h～1.2h；超声分散的时间为1.5h～2.5h。应用本专利技术的技术方案，磺酸基功能化石墨烯与同样具有极大比表面积的纳米纤维素晶须之间具有较强的物理吸附作用，磺酸基功能化石墨烯与纳米纤维素在有机溶剂中混合后，二者首先通过物理吸附作用，纳米纤维素缠绕或吸附在磺酸基功能化石墨烯的表面；在水浴搅拌和超声分散作用下，聚集在一起的磺酸基功能化石墨烯片层分散开来，复合在磺酸基功能化石墨烯表面的纳米纤维素带负电荷，通过静电排斥克服了石墨烯片层间的范德华作用力，阻碍磺酸基功能化石墨烯的团聚，使磺酸基功能化石墨烯在有机溶剂中能够均匀分散，形成稳定的磺酸基功能化石墨烯/纳米纤维素分散体系。本专利技术的磺酸基功能化石墨烯分散体系稳定性好，解决了现有技术中将磺酸基功能化石墨烯分散在有机溶剂中后容易发生团聚的问题。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术分散后的磺酸基功能化石墨烯的SEM图。图2为本专利技术分散后的磺酸基功能化石墨烯的EDS图。图3为本专利技术分散体系放置不同时间后的分散效果照片，其中，a为放置1天，b为放置5天，c为放置15天，d为放置30天。图4为未加入纳米纤维素的磺酸基功能化石墨烯分散体系发生团聚后的SEM图。图5为纳米纤维素的EDS图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本专利技术。如
技术介绍
所记载的，由于磺酸基功能化石墨烯中的石墨烯主体为苯环结构，石墨烯片层之间存在很强的范德华力，导致石墨烯与其他介质之间的相互作用弱，很难在有机溶剂中分散开来，将磺酸基功能化石墨烯借助有机溶剂添加到复合材料中后会发生团聚。为了解决上述问题，本申请提供了一种磺酸基功能化石墨烯分散体系及其制备方法。在本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种磺酸基功能化石墨烯分散体系，包括以下组分：磺酸基功能化石墨烯、纳米纤维素以及有机溶剂；至少部分纳米纤维素复合在磺酸基功能化石墨烯的表面；有机溶剂，至少用以均匀分散和/或溶解分散体系中的其余组分而形成均匀分散体系。应用上述技术方案，磺酸基功能化石墨烯与同样具有极大比表面积的纳米纤维素晶须之间具有较强的物理吸附作用，磺酸基功能化石墨烯与纳米纤维素在有机溶剂中混合后，二者首先通过物理吸附作用，纳米纤维素缠绕或吸附在磺酸基功能化石墨烯的表面；在水浴搅拌和超声分散作用下，聚集在一起的磺酸基功能化石墨烯片层分散开来，复合在磺酸基功能化石墨烯表面的纳米纤维素带负电荷，通过静电排斥克服了石墨烯片层间的范德华作用力，阻碍磺酸基功能化石墨烯的团聚，并且依托纳米纤维素在二维延伸结构上的定型增强，使磺酸基功能化石墨烯在有机溶剂中能够均匀分散，形成稳定的磺酸基功能化石墨烯/纳米纤维素分散体系。本专利技术中形成的“纳米纤维素缠绕或吸附的磺酸基功能化石墨烯”是一个整体，采用化学+物理的分散方式，形成稳定的分散体系。本专利技术的磺酸基功能化石墨烯分散体系稳定性好，解决了现有技术中将磺酸基功能化石墨烯分散在有机溶剂中后容易发生团聚的问题。该磺酸基功能化石墨烯分散体系尤其适用于碳复合材料，加入到复合材料中能够抑制复合材料的随机缺陷裂纹，对材料塑性的强化有明显作用，显著改善脆硬性材料的力学性能。为了进一步提高该磺酸基功能化石墨烯分散体系的稳定性，分散体系的组分中还含有偶联剂，该偶联剂与纳米纤维素的质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磺酸基功能化石墨烯分散体系，其特征在于，包括以下组分：磺酸基功能化石墨烯、纳米纤维素以及有机溶剂；至少部分所述纳米纤维素复合在所述磺酸基功能化石墨烯的表面；所述有机溶剂，至少用以均匀分散和/或溶解所述分散体系中的其余组分而形成均匀分散体系。

【技术特征摘要】
1.一种磺酸基功能化石墨烯分散体系，其特征在于，包括以下组分：磺酸基功能化石墨烯、纳米纤维素以及有机溶剂；至少部分所述纳米纤维素复合在所述磺酸基功能化石墨烯的表面；所述有机溶剂，至少用以均匀分散和/或溶解所述分散体系中的其余组分而形成均匀分散体系。2.根据权利要求1所述的磺酸基功能化石墨烯分散体系，其特征在于，所述分散体系的组分中还含有：偶联剂，所述偶联剂与所述纳米纤维素的质量比为(1～3):1；所述偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH560或KH1770中的一种或两种。3.根据权利要求1所述的磺酸基功能化石墨烯分散体系，其特征在于，所述磺酸基功能化石墨烯为双亲型磺酸基功能化石墨烯，其同时含有亲水性官能团和亲油性官能团，所述亲水性官能团主要为磺酸基团。4.一种磺酸基功能化石墨烯分散体系的制备方法，包括以下步骤：S1：将磺酸基功能化石墨烯分散在有机溶剂中，得磺酸基功能化石墨烯分散液；S2：将纳米纤维素加入到步骤S1所得磺酸基功能化石墨烯分散液中，经水浴搅拌和超声分散后，即得所述磺酸基功能化石墨烯分散体系。5.根据权利要求4所述的磺酸基功能化石墨烯分散体系的制备方法，其特征在于，将所述纳米纤维素加入到所述磺酸基功能化石墨烯分散液中之前，先用偶联剂对所述纳米纤维素进行表面改性，所述表面改性的方法如下：将所述纳米纤维素溶于水，加入偶联剂进行表面改性，然后依次经过滤、洗涤、烘干得到改性纳米纤维素；所述偶联剂为硅烷偶联剂，选自KH560或KH...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂川俊，邹泽玉，鲜勇，王卫东，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43