一种阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及材料化学领域，公开了一种阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：(1)GO的制备，采用Hummers方法制备GO；(2)改性GO的制备：用盐酸多巴胺在碱性条件下与阴离子聚电解质、GO进行反应，制得改性GO。本发明专利技术在简化改性氧化石墨烯制备方法的同时提高了改性氧化石墨烯在高温、高盐、弱碱性的极端环境下的分散稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法及应用
本专利技术涉及材料化学领域，具体而言，涉及一种阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法及应用。
技术介绍
氧化石墨烯(GO)是一种二维纳米材料，当前已成为油气田开发用新材料的研究热点。大量应用探索研究表明GO在油气田开发的许多领域，如石油开发的钻探设备、油气井钻井液、压裂液、水泥浆和化学驱油等都有重要的应用前景。然而，纳米材料因具有高的比表面积以及高表面能，其表面处于高度活化的状态，极易与其他原子相结合而形成大颗粒稳定下来，所以纳米颗粒本身就极其容易发生团聚，因此有效解决GO的稳定分散问题是GO在该领域中应用的前提。关于GO在油气开采领域中的应用，主要是将GO或其分散液添加至油井工作液中来实现，而GO要发挥其纳米效应必须保证在油井工作液体系中的稳定分散。目前大多数工作液均面临着高温、高压、高矿化度这样极端苛刻的工作环境，这均会使GO间相互作用而发生团聚产生纳米负效应，且这种负效应会更加显著。因此，对于GO在油井工作液中的应用，需对其进行表面改性，并大幅度改善其稳定分散能力，以保证在油井工作液这样复杂的环境中有效分散。中国专利CN201910355919.5公开了一种改性氧化石墨烯的制备方法，包括GO的制备、APTES-GO的制备、大分子引发剂GO-APTES-Br的制备和氧化石墨烯表面接枝聚合物的制备。该制备方法是先将引发剂偶连于氧化石墨烯表面，且需要催化剂的作用，该步骤得到的产物需要分离提纯，效率低，随后与含有亲水磺酸基团的单体反应，通过表面引发原子转移自由基聚合的方式聚合，得到最终目标产物，该工艺方法，工艺步骤复杂，且工艺历时较长、控温复杂，能耗较高，不适合大规模产业化投入使用。另外通过该制备方法获得的聚合物分子量有限，难以获得较高分子量的产物，从而难以保证高温、高盐下改性氧化石墨烯的长期稳定分散能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法及应用，其在简化改性氧化石墨烯制备方法的同时提高了改性氧化石墨烯的分散稳定性；适用于油气开采领域及页岩气开采的钻井液用石墨烯封堵材料的粒径分布控制。本专利技术的实施例是这样实现的：一种阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：(1)GO的制备，采用Hummers方法制备GO；(2)改性GO的制备：用盐酸多巴胺在碱性条件下与阴离子聚电解质、GO进行反应，制得改性GO。进一步地，所述阴离子聚电解质为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；GO-AMPS的制备：用多巴胺在碱性条件下与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、GO进行反应，制得GO-AMPS。进一步地，所述步骤(1)的具体操作步骤为：a.称取2-4g石墨粉，加入50-70ml浓硫酸和8-12ml磷酸，在冰浴中搅拌反应25-35min；b.加入4-6g硝酸钠继续搅拌28-32min；c.加入12-17g高锰酸钾反应1.4-1.6h；d.升温至34-38℃反应1.8-2.2h；e.加入130-180ml去离子水，在90-100℃下反应1.8-2.2h后停止加热；f.向溶液中滴加140-160ml10％的双氧水，搅拌28-32min后加入10ml盐酸，继续搅拌28-32min,结束反应；g.反应结束后，离心过滤，用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质，最后，将固体置于60℃真空烘箱中干燥24h，得GO。进一步地，所述步骤(2)中：a.将盐酸多巴胺与阴离子聚电解质，溶解于三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中；b.在上述溶液中加入氧化石墨烯，超声搅拌，随后将沉积分散液通过高速离心及清洗分离，获得改性后的氧化石墨烯。进一步地，所述步骤(2)的具体操作步骤为：a.浓度2g/L的盐酸多巴胺与一定量的阴离子聚电解质，溶解于一定量的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中；b.在上述溶液中加入一定量的氧化石墨烯至浓度为1mg/ml，超声搅拌使氧化石墨烯均匀分散，随后将沉积分散液在25℃下，空气中震荡搅拌8小时，后通过高速离心及清洗分离，获得改性后的氧化石墨烯。进一步地，所述盐酸多巴胺与阴离子聚电解质的摩尔比为1:10-1:50。进一步地，所述阴离子聚电解质为丙烯酸盐类单体。进一步地，所述阴离子聚电解质为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、聚丙烯酸或聚丙烯酸钠中的一种。进一步地，所述碱性条件为：pH值为7.5-11。进一步地，所述三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液为：用氢氧化钠调节溶液pH值至8.5，调节三羟甲基氨基甲烷浓度至50mM。一种上述改性氧化石墨烯的应用。进一步地，在油气开采领域中的应用。进一步地，将改性氧化石墨烯或改性氧化石墨烯分散液添加至油井工作液中。本专利技术的有益效果是：本专利技术在简化改性氧化石墨烯制备方法的同时提高了改性氧化石墨烯的产品性能，具体表现为：1.本专利技术制备方法极大的简化了氧化石墨烯表面有效反应接枝聚电解质的制备方法，本专利技术利用多巴胺的粘附效应，多巴胺能够附着并包覆于氧化石墨烯表面；多巴胺在碱性条件下，能够被氧化生成带自由基的中间体，该自由基中间体能够引发阴离子聚电解质聚合，并与其偶联；再利用聚多巴胺的粘附效应与GO附着，实现对GO表面的阴离子聚电解质接枝化学改性。2.本专利技术制备方法提高了改性氧化石墨烯产品性能，具体表现为：本专利技术利用阴离子聚电解质的静电及空间排斥效应，在GO表面化学接枝引入大量阴离子聚合物，为GO提供大量负电荷以及空间位阻，来提高GO在高温、高浓度盐水溶液、弱碱性的极端环境下的分散稳定性；本专利技术改性氧化石墨烯室温下在饱和盐水及API盐水溶液中能够稳定分散达30天，且能够在180℃及以上高温保持稳定分散。3.本专利技术制备得到的改性氧化石墨烯，适用于油气开采领域，尤其是作为封堵材料适用于页岩气开采的钻井液中，能够有效提高其在高温、高浓度盐水溶液、弱碱性的极端环境下的的分散性；及作为石墨烯封堵材料的粒径分布控制。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施例1改性氧化石墨烯的红外光谱图；图2中a为本专利技术实施例1改性氧化石墨烯放大10000倍的SEM图；b为改性氧化石墨烯放大30000倍的SEM图；图3中a为本专利技术实施例1改性氧化石墨烯在饱和氯化钠溶液中静置30后的分散情况；b为改性氧化石墨烯在饱和氯化钠溶液中静置30后表现出的明显的丁达尔效应；图4为本专利技术实施例1改性氧化石墨烯在饱和盐水分散液中，不同稳定时间下的平均粒径值；图5为本专利技术实施例1改性氧化石墨烯的饱和盐水分散液在高温下稳定分散情况图；图6为本专利技术实施例1改性氧化石墨烯在弱碱性条件下pH值的变化对改性氧化石墨烯表面电位大小的影响；图7为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：用盐酸多巴胺在碱性条件下与阴离子聚电解质、GO进行反应，制得改性GO。/n

【技术特征摘要】
1.一种阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：用盐酸多巴胺在碱性条件下与阴离子聚电解质、GO进行反应，制得改性GO。


2.根据权利要求1所述的阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，采用Hummers方法制备GO。


3.根据权利要求2所述的阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，GO制备的具体操作步骤为：a.称取2-4g石墨粉，加入50-70ml浓硫酸和8-12ml磷酸，在冰浴中搅拌反应25-35min；b.加入4-6g硝酸钠继续搅拌28-32min；c.加入12-17g高锰酸钾反应1.4-1.6h；d.升温至34-38℃反应1.8-2.2h；e.加入130-180ml去离子水，在90-100℃下反应1.8-2.2h后停止加热；f.向溶液中滴加140-160ml10％的双氧水，搅拌28-32min后加入10ml盐酸，继续搅拌28-32min，结束反应；g.反应结束后，离心过滤，用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质，最后，将固体置于60℃真空烘箱中干燥24h，得GO。


4.根据权利要求1所述的阴离子聚电解质改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a.将盐酸多巴胺与阴离子聚电解质，溶解于三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中；b.在上述溶液中加入氧化石墨烯，超声搅拌，随后将...

【专利技术属性】
技术研发人员：范毅，何毅，张涛，白杨，马兰，王壮飞，罗平亚，
申请(专利权)人：成都石墨烯应用产业技术研究院有限公司，西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51