可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备设备以及工艺制造技术

本发明专利技术属于石墨烯制备领域，具体是一种可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备设备以及工艺，由还原氧化石墨烯以及紧密包覆其上的油溶性聚合物微纳颗粒组成的可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体，其中一部分油溶性聚合物微纳颗粒通过π

【技术实现步骤摘要】
可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备设备以及工艺


[0001]本专利技术属于石墨烯制备领域，具体是一种可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备设备以及工艺。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等领域具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。但是，石墨烯片层的大比表面积和其层与层之间的分子间作用力使得石墨烯易团聚，限制了它的功能化应用。
[0003]目前，工业化的石墨烯基本都是以水为分散介质储存和使用的。但是，很多使用场景需要将石墨烯分散在有机体系，如有机溶剂、树脂、橡胶、有机涂料等中，这就要求对石墨烯进行改性。目前，常用的石墨烯改性方法包括共价改性和非共价改性两种。共价改性能够使石墨烯表面的含氧官能团与改性剂共价连接，两者之间的结合强度高，但相关改性技术通常需要高配的实验室、复杂的样品准备、大型仪器或者消耗大量的昂贵试剂。非共价改性通过阳离子与π键以及范德华力等分子间作用力将石墨烯与改性剂连接起来，但是这种弱相互作用力容易被溶剂分子所置换，导致非共价改性的石墨烯发生二次团聚，分散效果或分散稳定性并不理想。因此，亟需发展一种简单高效的通用系统和方法，以使不同类型的改性石墨烯可以适配不同的有机体系，并具有良好的分散效果和分散稳定性。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的难以批量化制备可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的问题，本专利技术提供了一种可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备设备以及工艺。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备设备，包括通过管道依次串联连接在一起的预乳化釜、乳液聚合釜以及喷雾干燥器；所述预乳化釜内设置有第一机械搅拌装置和超声探头；所述乳液聚合釜内设置有第二机械搅拌装置和加热装置，所述乳液聚合釜和喷雾干燥器之间的管道上串联设置有进料蠕动泵；所述预乳化釜用于为原料提供预乳化场所；所述超声探头用于将油溶性单体乳化为微纳液滴，并使部分微纳液滴吸附在氧化石墨烯片层表面；所述第一机械搅拌装置用于辅助油溶性单体乳化，以使油溶性单体微纳液滴和氧化石墨烯片层均匀分散在水相中；所述乳液聚合釜为油溶性单体乳液聚合提供反应场所；
所述加热装置用于为乳液聚合反应提供所需要的反应温度；所述第二机械搅拌装置用于将乳液聚合反应体系混合均匀；所述进料蠕动泵用于将聚合完全的乳液体系匀速打入到喷雾干燥器中；所述喷雾干燥器用于将乳液聚合完毕的乳液体系高温快速干燥成微纳粉体。
[0006]本专利技术进一步提供了一种可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备工艺，包括以下步骤：S1.将氧化石墨烯水分散液、乳化剂和油溶性单体依次加入到预乳化釜内，调节体系pH为碱性，室温下，打开第一机械搅拌装置和超声探头，分散一定时间，得到预乳化分散液；S2.开启预乳化釜底部的控制阀，将预乳化分散液打入到所述乳液聚合釜中，打开乳液聚合釜的第二机械搅拌装置和加热装置，待升至设定温度后加入引发剂引发乳液聚合反应，至设定时长后结束反应；S3.将乳液聚合釜调节至设定的温度，加入还原剂还原氧化石墨烯，至设定时长后关闭加热装置；S4.开启所述乳液聚合釜底部的控制阀，将聚合完毕的乳液通过进料蠕动泵打入到喷雾干燥器中，在设定温度下快速干燥成微纳粉体。
[0007]在本专利技术所提供的制备方法中，其具体原理为：本专利技术制备得到的是一种由还原氧化石墨烯以及紧密包覆其上的油溶性聚合物微纳颗粒组成的可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体，其中一部分油溶性聚合物微纳颗粒通过π
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π共轭作用与还原氧化石墨烯中的sp2杂化轨道组成的六角型蜂巢晶格紧密结合，另一部分油溶性聚合物微纳颗粒通过共价作用与还原氧化石墨烯中的含氧官能团结合。通过π
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π共轭作用和共价作用的协效，一方面，使油溶性聚合物微纳颗粒紧密包覆在还原氧化石墨烯的表面，从而能够有效阻止还原氧化石墨烯在喷雾干燥过程中的团聚。另一方面，可以使干燥的石墨烯粉体转移至有机体系中后，容易分散并保持长时间的分散稳定性，即使非共价作用的油溶性聚合物微纳颗粒溶解后脱离还原氧化石墨烯片层表面，共价作用的油溶性聚合物分子链的强连接作用也可以阻止还原氧化石墨烯在有机体系中的团聚。
[0008]作为本专利技术制备工艺技术方案的进一步改进，在步骤S1中，油溶性单体、乳化剂和氧化石墨烯的质量比为（10~100）：（0.5~5）：1，超声分散时间为0.1~1h。
[0009]作为本专利技术制备工艺技术方案的进一步改进，在步骤S1中，所述油溶性单体为烯类单体，所述烯类单体为苯乙烯、乙烯、醋酸乙烯酯、氯乙烯、丁二烯、异戊二烯、丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯。
[0010]作为本专利技术制备工艺技术方案的进一步改进，在步骤S1中，乳化剂为脂肪酸盐、硫酸盐、磺酸盐、季铵盐、氨基酸、脱水山梨醇脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯、烷基酚基聚醚醇类、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧乙烯脂肪酸或聚氧乙烯脂肪酸醚。
[0011]作为本专利技术制备工艺技术方案的进一步改进，在步骤S2中，所述引发剂和油溶性单体的质量比为（0.001~0.05）：1，聚合反应温度为70~100℃，聚合反应时间为4~10h。
[0012]作为本专利技术制备工艺技术方案的进一步改进，所述引发剂为水溶性引发剂或氧化
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还原类复合引发体系；所述水溶性引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；所述氧化
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还原类复合引发体系中，其中的氧化剂为过氧化氢、过硫酸盐或氢过氧化物，其中的还原剂为亚硫酸
氢钠、亚硫酸钠、醇、胺或草酸。
[0013]作为本专利技术制备工艺技术方案的进一步改进，在步骤S3中，所述还原剂和氧化石墨烯的质量比为（0.1~10）：1，还原反应温度为70~100℃，还原时长为0.5~24h。
[0014]作为本专利技术制备工艺技术方案的进一步改进，在步骤S3中，所述还原剂为肼或其衍生物、氨基酸、胺类、一元醇、多元醇、一元酚、多元酚、无机硫化物、有机硫化物、强碱、金属氢化物、碱金属、两性金属、低价金属离子。
[0015]作为本专利技术制备工艺技术方案的进一步改进，在步骤S4中，所述喷雾干燥器的进风温度为60~200℃，出风温度为20~100℃。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术通过π
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π共轭作用和官能团间共价作用的协效，将油溶性聚合物微纳颗粒紧密包覆在还原氧化石墨烯片层的表面，有效克服了传统工艺干燥过程中石墨烯二次团聚的问题，并能高效实现改性石墨烯粉体在有机体系中高浓度长时间的均匀稳定分散。
[0017]（2）本专利技术所述制备设备简单，所述制备工艺高效稳定，可实现大规模批量化生产。
[0018]（3）本专利技术所述制备设备和工艺具有良好的可迁移性，可以根据不同聚合物在不同有机溶剂中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备设备，其特征在于，包括通过管道依次串联连接在一起的预乳化釜（1）、乳液聚合釜（2）以及喷雾干燥器（3）；所述预乳化釜（1）内设置有第一机械搅拌装置（101）和超声探头（102）；所述乳液聚合釜（2）内设置有第二机械搅拌装置（201）和加热装置（202），所述乳液聚合釜（2）和喷雾干燥器（3）之间的管道上串联设置有进料蠕动泵（301）；所述预乳化釜（1）用于为原料提供预乳化场所；所述超声探头（102）用于将油溶性单体乳化为微纳液滴，并使部分微纳液滴吸附在氧化石墨烯片层表面；所述第一机械搅拌装置（101）用于辅助油溶性单体乳化，以使油溶性单体微纳液滴和氧化石墨烯片层均匀分散在水相中；所述乳液聚合釜（2）为油溶性单体乳液聚合提供反应场所；所述加热装置（202）用于为乳液聚合反应提供所需要的反应温度；所述第二机械搅拌装置（201）用于将乳液聚合反应体系混合均匀；所述进料蠕动泵（301）用于将聚合完全的乳液体系匀速打入到喷雾干燥器（3）中；所述喷雾干燥器（3）用于将乳液聚合完毕的乳液体系高温快速干燥成微纳粉体。2.一种可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备工艺，其特征在于，采用的是如权利要求1所述的一种可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备设备，包括以下步骤：S1.将氧化石墨烯水分散液、乳化剂和油溶性单体依次加入到预乳化釜（1）内，调节体系pH为碱性，室温下，打开第一机械搅拌装置（101）和超声探头（102），分散一定时间，得到预乳化分散液；S2.开启预乳化釜（1）底部的控制阀，将预乳化分散液打入到所述乳液聚合釜（2）中，打开乳液聚合釜（2）的第二机械搅拌装置（201）和加热装置（202），待升至设定温度后加入引发剂引发乳液聚合反应，至设定时长后结束反应；S3.将乳液聚合釜（2）调节至设定的温度，加入还原剂还原氧化石墨烯，至设定时长后关闭加热装置（202）；S4.开启所述乳液聚合釜（2）底部的控制阀，将聚合完毕的乳液通过进料蠕动泵（301）打入到喷雾干燥器（3）中，在设定温度下快速干燥成微纳粉体。3.根据权利要求2所述的一种可直接分散在有机体系中的石墨烯粉体的工业化连续制备工艺，其特征在于，在步骤S1中，油溶性单体...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚青，向阳，赵晓倩，龚明山，赵贵哲，
申请(专利权)人：山西中北新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：