功能化碳材料及其制备方法、分散液及其应用技术

本发明专利技术提供了功能化碳材料及其制备方法、分散液以及导电油墨或电池导电添加剂。其中，功能化碳材料的制备方法包括：将碳材料与高分子聚合物混合之后进行干法球磨，以便得到所述功能化碳材料。该方法操作简单、方便，易于实现，成本低，为以后的工业化生产提供显著的竞争优势。

Functional Carbon Materials and Their Preparation, Dispersion Solution and Application

The invention provides a functional carbon material, a preparation method, a dispersing liquid and a conductive ink or battery conductive additive. The preparation method of the functional carbon material includes: mixing the carbon material with the macromolecule polymer and then dry milling to obtain the functional carbon material. This method is simple, convenient, easy to implement, low cost, and provides a significant competitive advantage for future industrial production.

【技术实现步骤摘要】
功能化碳材料及其制备方法、分散液及其应用
本专利技术涉及材料
，具体的，涉及功能化碳材料及其制备方法、分散液及其应用。
技术介绍
目前，利用碳材料制备导电油墨受到广泛的关注。其中，石墨烯具有其特殊的物理性能、大的理论比表面积(2600m2/g)，突出的导热性能(3000W/(m·K))和力学性能(1060GPa)，以及室温下高的电子迁移率(5000cm2/(V.s))，其特殊的sp2杂化碳原子排列组成的二维蜂窝状晶体结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应。这些优异的性能决定了其在电子、生物医药、信息和能源领域具有重大的应用前景。然而，石墨烯片层间有较强的范德华力，非常容易发生聚集，使其难溶于水及常用的有机溶剂，大大影响实际应用中石墨烯性能的发挥，导致利用石墨烯制备得到的导电油墨的性能较差。因而，目前的导电油墨仍有待改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种操作简单、方便、易于实现、成本低、或者工业化生产具有竞争优势的功能化碳材料的方法。在本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种制备功能化碳材料的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：将碳材料与高分子聚合物混合之后进行干法球磨，以便得到所述功能化碳材料。专利技术人发现，该方法操作简单、方便，易于实现，通过干法球磨可以使得碳材料和高分子聚合物之间通过非共价键复合在一起，对碳材料的功能化修饰非常高效，尤其适用于制备亲水性或者亲油性的功能化碳材料，进而使得得到的功能化碳材料可以均匀、稳定的分散到水或溶剂中，且可实现较高的固含量，从而可以高效用于制备导电油墨或者电池导电添加剂，且上述方法成本低，为工业化生产提供显著的竞争优势。根据本专利技术的实施例，所述碳材料选自石墨烯、活性炭、碳纳米管、软碳和硬碳中的至少一种。根据本专利技术的实施例，所述高分子聚合物具有疏水性官能团，所述疏水性官能团包括醚基和烃基中的至少一种。根据本专利技术的实施例，所述高分子聚合物还具有亲水性官能团，所述亲水性官能团包括羧基和羟基中的至少一种。根据本专利技术的实施例，所述高分子聚合物选自羧甲基纤维素钠(CMC)、栀子蓝、乙基纤维素(EC)和胡萝卜素中的至少一种。根据本专利技术的实施例，将所述碳材料与所述高分子聚合物的按照质量比为40:1-20:1的比例混合。根据本专利技术的实施例，所述干法球磨是在行星球磨机中进行的，所述行星球磨机中的磨料与所述碳材料的质量比为40:1-20:1。根据本专利技术的实施例，所述干法球磨的转速为100rpm-400rpm，时间为1h-3h。根据本专利技术的实施例，在干法球磨之后，还包括：将所述干法球磨获得的产物加入到溶剂中进行超声处理，得到混合溶液；对所述混合溶液进行离心处理，将获得的上清液进行过滤，然后收集滤饼并进行干燥，得到所述功能化碳材料。根据本专利技术的实施例，基于所述功能化碳材料的总质量，所述高分子聚合物的含量为1wt％-2wt％。根据本专利技术的实施例，所述功能化碳材料的形状为片状，且所述功能化碳材料的尺寸为1μm-30μm。在本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种功能化碳材料。根据本专利技术的实施例，该功能化碳材料是利用前面所述的方法制备得到的。专利技术人发现，该功能化碳材料可实现高固含量的分散液的制备，且分散液中固含量高出一般的碳材料分散液的2-3倍。在本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种分散液。根据本专利技术的实施例，该分散液包括前面所述的功能化碳材料。专利技术人发现，该分散液的固含量很高，流动性强，导电性强，尤其适于制备导电油墨和电池中的导电添加剂。根据本专利技术的实施例，基于所述分散液的总质量，所述功能化碳材料的含量可高达25wt％。在本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种导电油墨或电池导电添加剂。根据本专利技术的实施例，该导电油墨或电池导电添加剂包括前面所述的功能化碳材料或者是利用前面所述的分散液制备得到的。专利技术人发现，该导电油墨的导电性能强，方阻低，有利于大规模生产。根据本专利技术的实施例，所述导电油墨在厚度为30微米时的方阻可低至1.3Ω/□。附图说明图1是实施例1中的功能化碳材料的高倍SEM图。图2是实施例1中的功能化碳材料的低倍SEM图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。本专利技术是基于专利技术人的以下认识和发现而完成的：目前，制备碳材料分散液的方法主要有两种，一种方法是将碳材料(例如石墨或膨胀石墨)直接加在有机溶剂或表面活性剂水溶液中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的分散液。溶剂分子或表面活性剂分子通过π-π堆积与疏水作用等吸附在剥离后的碳材料(例如石墨烯)表面，依靠静电斥力或分子间作用力，实现剥离后的碳材料的有效分散；这种方法存在碳材料剥离程度低、片层团聚严重、得到的分散液固含量较低的问题；有机溶剂可以得到较高浓度的分散液，但成本高，且其沸点较高，不易除去，不利于分散液的进一步应用。而另一种方法是共价键法对碳材料进行表面改性，但该方法对碳材料的结构破坏比较大，并且操作复杂、生产成本较高，同时目前所制备的分散液的固含量较低，一般低于5％。针对上述技术问题，专利技术人进行了深入的研究，研究后发现，可以将聚合物与碳材料混合之后进行干法球磨，可以有效实现对碳材料的表面改性，无需引入溶剂，不存在溶剂分离难度大的问题，且该方法是利用非共价键法对碳材料进行表面改性，几乎不会破坏碳材料的结构，利用得到的功能化碳材料制备的分散液的固含量高，导电性强，尤其适于制备导电油墨或电池导电添加剂。有鉴于此，在本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种制备功能化碳材料的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：将碳材料与高分子聚合物混合之后进行干法球磨，以便得到所述功能化碳材料。专利技术人发现，该方法操作简单、方便、易于实现，通过干法球磨可以使得碳材料和高分子聚合物之间通过非共价键复合在一起，对碳材料的功能化修饰非常高效，且几乎不会破坏碳材料的结构，无需添加溶剂，不存在分离难度大的问题；尤其适用于制备亲水性以及亲油性的功能化碳材料，获得的功能化碳材料分散性佳，功能化碳材料上复合的高分子聚合物可以防止碳材料的不可逆团聚，进而利用其制备得到的分散液的固含量高；且上述方法成本低，为以后的工业化生产提供显著的竞争优势。根据本专利技术的实施例，所述碳材料选自石墨烯、活性炭、碳纳米管、软碳和硬碳中的至少一种。由此，碳材料来源广泛，价格低，对上述碳材料进行表面修饰获得的功能化碳材料的使用场景广泛，利于大规模生产。根据本专利技术的实施例，所述高分子聚合物具有疏水性官能团，所述疏水性官能团包括醚基(即含有-C-O-C-结构)和烃基(如链状的、环状的烷基、稀基、炔基、亚基、次基等等)中的至少一种；具体的，上述疏水性官能团能够与碳材料中的疏水部分无定型碳或大的π-π共轭体系以疏水作用结合在一起，由此，上述高分子聚合物与碳材料之间以疏水作用结合在一起，获得的功能化碳材料的结构稳定，有效提高功能化碳材料在溶剂中的分散性，高分子聚合物的存在可以防止碳材料的不可逆团聚，有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，包括：将碳材料与高分子聚合物混合之后进行干法球磨，以便得到所述功能化碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，包括：将碳材料与高分子聚合物混合之后进行干法球磨，以便得到所述功能化碳材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳材料选自石墨烯、活性炭、碳纳米管、软碳和硬碳中的至少一种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高分子聚合物具有疏水性官能团，所述疏水性官能团包括醚基和烃基中的至少一种；任选地，所述高分子聚合物还具有亲水性官能团，所述亲水性官能团包括羧基和羟基中的至少一种；任选地，所述高分子聚合物选自羧甲基纤维素钠、栀子蓝、乙基纤维素和胡萝卜素中的至少一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述碳材料与所述高分子聚合物按照质量比为40:1-20:1的比例混合；任选地，所述干法球磨是在行星球磨机中进行的，所述行星球磨机中的磨料与所述碳材料的质量比为40:1-20:1；任选地，所述干法球磨的转速为100rpm-400rpm，时间为1h-3h。5.根据权利要求1所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝胐，王文阁，张勃，王俊美，李金来，
申请(专利权)人：新奥石墨烯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13