一种高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液的制备方法，将完全剥离的单层氧化石墨烯分散液导入膜分离装置中，分散液以错流过滤的方式在连续循环过程中进行浓缩，浓缩过程中氧化石墨烯片层排列方式自发趋于有序化，得到高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液。该方法具有操作简便、连续高效、成本低廉等优点，制备的单层氧化石墨烯分散液微观结构呈现为有序液晶相，其中作为液晶相构成单元的单层氧化石墨烯具有浓度高、均一稳定、片层有序排列且保持单片分散状态的特殊优点。

Preparation of a High Concentration Liquid Crystalline Monolayer Graphene Oxide Dispersion

The invention discloses a preparation method of high concentration liquid crystal monolayer graphene oxide dispersion solution. The fully peeled monolayer graphene oxide dispersion solution is introduced into the membrane separation device. The dispersion solution is concentrated in the continuous circulation process by cross-flow filtration, and the arrangement of graphene oxide sheets tends spontaneously in the concentration process. High concentration liquid crystal monolayer graphene oxide dispersions were obtained by ordering. The method has the advantages of simple operation, continuous, high efficiency and low cost. The prepared monolayer graphene oxide dispersions exhibit ordered liquid crystalline phase, in which monolayer graphene oxide as a component unit of liquid crystalline phase has the special advantages of high concentration, uniform stability, orderly arrangement of sheets and maintaining monolayer dispersion.

【技术实现步骤摘要】
一种高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液的制备方法
本专利技术属于石墨烯新材料制备领域，具体涉及一种高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液的制备方法。
技术介绍
石墨烯是由单层碳原子紧密排列成蜂窝状晶格结构的二维碳材料，具有优异的光学、力学、电学、热学性质，其产业化与规模应用均已成为当前的热点。而单层氧化石墨烯是制备石墨烯材料的前驱体，与石墨烯相比，氧化石墨烯具有良好的分散性，优异的可加工性能，以及易于调控的物理化学性质。因此，石墨烯材料在诸多领域的广泛应用多源于氧化石墨烯。然而，目前仍存在多方面技术瓶颈阻碍高质量氧化石墨烯及石墨烯的规模化制备及应用。氧化石墨烯主要是通过化学方法对石墨进行氧化，随后对产物氧化石墨进行剥离而制备。受限于氧化石墨分散液较高的体系粘度，通常剥离获得的单层氧化石墨烯分散液浓度多低于2g/L，极大限制了单层氧化石墨烯的运输、存储及下游应用。对于工业化制备氧化石墨烯粉体，高固含量的氧化石墨烯分散液能够极大节省能源，降低生产成本。同时，较高浓度的单层氧化石墨烯分散液对于其宏观应用具有重要意义。随着氧化石墨烯分散液浓度的增加，氧化石墨烯片层排列方式趋于有序化，形成胶体液晶相，由其制备的宏观组装材料可最大限度地保留石墨烯片层优异的性能。因而，高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液的制备技术已成为突破石墨烯产业化瓶颈的关键问题之一。目前制备高浓度氧化石墨烯分散液的方法主要有高速离心和干燥-再分散。如CN105174248A《一种不同片层数氧化石墨烯片/液晶/薄膜的制备方法》将氧化石墨烯分散液以8000～20000r/min高速离心浓缩，取下层液除去其中的溶剂方可获得氧化石墨烯液晶，该过程工艺繁琐、耗能、处理量低，不适用于工业化规模制备。又如CN102534869A《由大尺寸氧化石墨烯片制备高强度导电石墨烯纤维的方法》中将氧化石墨烯分散液多次以1000～10000r/min的转速运行1～100min，分离得到大尺寸氧化石墨烯，再将其自然干燥，随后将干燥的氧化石墨烯产物溶于5～100重量份的溶剂中，方可得到大尺寸氧化石墨烯纺丝液液晶溶胶，该过程工艺繁琐、耗能耗时、处理量低，同时氧化石墨烯在溶剂中的再分散状态不确定，存在片层堆叠团聚的可能。因此，亟需开发一种操作简便、连续高效、成本低廉的高浓度液晶相氧化石墨烯分散液制备方法。膜分离过程是一种对胶体分散液进行浓缩处理去除其溶剂的常用方法。膜分离过程的主要优势在于其过程中分散液不发生相变化，且无明显温度变化，使得处理过程中料液物理化学性质不发生显著变化。然而氧化石墨烯具有胶体性质，使用常规的抽滤等死端过滤方式对其进行浓缩时，氧化石墨烯片层极易在膜表面紧密沉积，产生浓差极化，形成高阻力的滤饼层，导致分离膜的严重阻塞，膜材料的分离性能在短时间内急剧下降直至丧失分离功能。
技术实现思路
本专利技术的目的是在现有技术的基础上，提供一种高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液的制备方法。该方法具有操作简便、连续高效、成本低等优点，制备的单层氧化石墨烯分散液微观结构呈现为有序液晶相，作为液晶相构成单元的单层氧化石墨烯具有浓度高、均一稳定、片层有序排列且保持单片分散状态的特殊优点。本专利技术所述的方法用错流过滤的方式实现对完全剥离的单层氧化石墨烯分散液进行浓缩，得到高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液。本专利技术的目的具体可以通过以下措施达到：一种高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液的制备方法，将完全剥离的单层氧化石墨烯分散液导入膜分离装置中，使分散液以错流过滤的方式在连续循环过程中进行浓缩，浓缩过程中氧化石墨烯片层排列方式自发趋于有序化，得到高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液。本专利技术中的氧化石墨烯可以直接采用商品化的单层氧化石墨烯，也可以采用现有技术中的多种方法所制备的单层氧化石墨烯，还可以采用各种功能化或具有不同改性基团的单层氧化石墨烯。例如，在本专利技术的部分或全部实施例中，采用的是改进的Hummers法所制备氧化石墨，具体方法可参见中国专利CN201110372309.X。将制备的氧化石墨加入溶剂得到氧化石墨分散液，完全剥离后获得单层氧化石墨烯分散液。所述的剥离方法可以为现有技术常用方法，包括但不限于超声、振荡、高速剪切中的一种或几种。本专利技术中单层氧化石墨烯分散液可以直接采用氧化石墨烯加入溶剂配制，也可以在制备氧化石墨烯的过程中加入溶剂进行反应制备。在一种优选方案中，单层氧化石墨烯分散液的浓度为0.05～5g/L，优选0.5～3g/L，更优选1～2g/L；片层横向尺寸为50nm～20μm，优选100nm～10μm，更优选200nm～2μm。本专利技术单层氧化石墨烯分散液的溶剂可以选自本领域常用的溶剂，如酸性溶液、碱性溶液、极性或非极性溶剂中的一种或几种。其中，酸性溶液所含溶质包括但不限于盐酸、硫酸、硝酸或醋酸中的一种或几种；碱性溶液所含的溶质包括但不限于氢氧化钠、氨水、氢氧化钾、碳酸氢铵、碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾中的一种或几种；所述极性或非极性溶剂包括但不限于水、乙醇、甲酰胺、乙二醇、异丙醇、丙酮、四氯化碳中的一种或几种。本专利技术所采用的膜分离装置可以为本领域的常规涉及，例如一般主要由膜组件、液体循环动力组件、分散液温控组件、膜再生系统组成。其中膜组件可以为管式膜组件、卷式膜组件、中空纤维式膜组件中的一种或几种组合。膜组件主要由分离膜和支撑结构组成。本专利技术所述的膜组件内分离膜的膜材料可以为有机膜或无机膜。进一步的，有机膜可以选自醋酸纤维素、聚酰胺类、聚酰亚胺类、聚砜类、含氟类、含硅类、聚酯类或聚烯烃类有机膜；所述无机膜可以选自氧化铝、氧化锆、氧化钛或氧化硅类无机膜。分离膜材料可以由氧化石墨烯分散液的溶剂类型根据常规选择决定，在本专利技术的实施例中，对于特定溶剂体系的单层氧化石墨烯分散液分别以氧化铝陶瓷膜、氧化锆陶瓷膜、醋酸纤维素中空纤维膜、含氟膜进行了测试，均效果优异。本专利技术所采用膜分离装置的分离膜孔径需小于氧化石墨烯的片层横向尺寸，优选的孔径范围为20nm～2μm。膜分离装置中的液体循环动力组件以输液泵为核心，可以是包括离心泵、气动泵和蠕动泵。进一步的，本专利技术错流过滤时单层氧化石墨烯分散液的温度为10～50℃，优选15～35℃，更优选20～30℃。专利技术人发现在此温度条件下，氧化石墨烯分散液维持良好的单分散状态；高于此温度范围则氧化石墨烯分散液易于出现片层堆叠团聚等行为，对产物质量性质与下游应用造成不利影响。本专利技术中错流过滤浓缩时的料液流量可根据膜分离装置的大小以及处理量进行适当调整，以满足不同产品生产量要求。本专利技术优选单层氧化石墨烯分散液导入膜分离装置的流速为0.1～50m3/h，优选0.3～30m3/h。专利技术人发现在此流速下，物料循环过程中产生的切向剪切力有效避免氧化石墨烯片层在膜表面沉积形成滤饼层，使浓缩过程维持较大的过滤通量与处理效率。流速的大小可以通过膜分离装置中膜组件进口处的流量阀进行调节。进一步，本专利技术错流过滤的压力为0.01～1.2MPa，优选0.05～0.5MPa，更优选0.1～0.2MPa；专利技术人发现在此压力条件下，垂直于膜表面的压力驱动力能够维持相对较高的溶剂通量，同时避免在高压下形成较厚的滤饼层，使过滤通量急剧衰减。压力的大小可以通过膜分离装置中膜组件出口处的压力调节阀调节。本专利技术所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液的制备方法，其特征在于，将完全剥离的单层氧化石墨烯分散液导入膜分离装置中，使分散液以错流过滤的方式在连续循环过程中进行浓缩，得到高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液。

【技术特征摘要】
1.一种高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液的制备方法，其特征在于，将完全剥离的单层氧化石墨烯分散液导入膜分离装置中，使分散液以错流过滤的方式在连续循环过程中进行浓缩，得到高浓度液晶相单层氧化石墨烯分散液。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，完全剥离的单层氧化石墨烯分散液的浓度为0.05～5g/L，优选0.5～3g/L，更优选1～2g/L。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，完全剥离的单层氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯片层横向尺寸为50nm～20μm，优选100nm～10μm，更优选200nm～2μm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，完全剥离的单层氧化石墨烯分散液的溶剂选自酸性溶液、碱性溶液、极性或非极性溶剂中的一种或几种；优选的，所述酸性溶液所含溶质包括但不限于盐酸、硫酸、硝酸或醋酸中的一种或几种；所述碱性溶液所含的溶质包括但不限于氢氧化钠、氨水、氢氧化钾、碳酸氢铵、碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：暴宁钟，李畅，史叶勋，沈丽明，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32