一种萘基高反应活性石墨烯分散剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及石墨烯技术领域，特别涉及一种萘基高反应活性石墨烯分散剂及其制备方法和应用。其化学结构式如式(Ⅳ)所示：所述分散剂主要由萘二胺单元、硅羟基和烷基链三个部分组成。首先，萘二胺可以与石墨烯通过π

【技术实现步骤摘要】
一种萘基高反应活性石墨烯分散剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及石墨烯
，具体涉及一种萘基高反应活性石墨烯分散剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]石墨烯是由sp2杂化碳原子相互连接形成的，具有单原子层厚度二维蜂窝状晶格结构的碳材料。具有高导热性(室温下3000
‑
5000W/mk)，高导电性(室温下电子迁移率超过15000cm2/vs)，高比表面积(约2630m2·
g
‑1)。因此，石墨烯在柔性储能装置、传感器、半导体材料、药物载体等领域具有广阔的应用前景。
[0003]为了避免石墨烯粉体在掺杂到其他应用材料中时发生团聚沉降，可以通过共价键功能化或非共价键功能化对其进行改性，使其在片层之间产生静电排斥和空间位阻作用，达到将石墨烯剥离分散的目的。目前，通常采用相对简便易行的石墨烯分散剂作为辅助，以非共价键功能化的方式修饰石墨烯，进而提高石墨烯在溶剂中的分散性以及与其他基体材料的相容性。
[0004]现有的石墨烯分散剂有十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、阿拉伯胶、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等表面活性剂和高分子稳定剂；还有一些自合成的具有表面活性的诸多复杂有机小分子、高分子等类型。但是这些分散剂仍有许多局限性，一方面，分散剂的用量比较大，往往达到石墨质量的几倍、十几倍、甚至更高；另一方面，分散剂对石墨烯的分散能力有限，经过超声处理后，得到的分散液中石墨烯浓度通常小于0.5mg
·
mL
‑1，分散性能不佳，极大地限制了其在实际中的应用。另外，分散剂最后一般会作为无效成分残留在石墨烯复合材料中，对材料的最终性能产生较大影响。
[0005]因此，设计出能在较低用量下实现石墨烯高浓度稳定分散的新型分散剂，对于石墨烯的实际应用具有重要意义。在此基础上，通过结构设计，赋予分散剂较高的反应活性，进而与其他基体材料发生共价交联反应，使分散剂在最终的复合材料中作为有用成分存在，则会进一步扩大该分散剂的应用前景，推动石墨烯的产业化发展。

技术实现思路

[0006]了解决上述问题，本专利技术设计合成了一种既对石墨烯具有很好的分散能力，又具有很高反应活性的分散剂。该分散剂不仅可以在水溶液中实现对石墨烯的高浓度分散，而且在醇溶液中仍然能保持高浓度稳定存在。
[0007]5‑
二氨基萘中的萘环作为与石墨烯平面进行π
‑
π相互作用的共轭结构，通过增长二氨基萘的碳链，增多与硅烷偶联剂的反应位点，在水解后可以得到一个具有36个高反应活性硅羟基为端基，1个能与石墨烯发生较强π
‑
π相互作用的萘环为共轭中心的分散剂分子。大量的硅羟基不仅给予了该分散剂将石墨烯分散在水和乙醇溶液中的可能性，也使其在后续的实际应用中更容易与基体材料进行交联反应。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种萘基高反应活性石墨烯分散剂，其化学结构式如式(Ⅳ)所示：
[0010][0011]上述的一种萘基高反应活性石墨烯分散剂的制备方法，包括以下步骤：
[0012]1)将1,5
‑
二氨基萘与过量环氧氯丙烷溶解于溶剂中后，于80℃下回流反应24h，再进行旋蒸除杂，得到深棕色粘稠液体，结构式如式(Ⅰ)所示，
[0013][0014]2)将(Ⅰ)通过水浴超声完全溶解于溶剂中，加入过量的乙二胺，80℃条件下回流反应24h，再进行旋蒸除杂，得到棕黄色的粘稠液体，结构式如(Ⅱ)所示。
[0015][0016]3)将(Ⅱ)通过水浴超声完全溶解于溶剂中，加入3
‑
缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷，80℃条件下回流反应24h，反应全程保持无水干燥，再进行多次旋蒸除杂，得到棕色粘
稠液体，(Ⅲ)，为分散剂前驱体，
[0017][0018]4)取一定量的分散剂前驱体(Ⅲ)，迅速加入到酸溶液中，于60℃下水解150h得到深红色的液体，即得到萘基高反应活性石墨烯分散剂MSiND。
[0019]优选地，上述的制备方法，使用甲醇或乙醇作为反应的溶剂。
[0020]优选地，上述的制备方法，步骤(1)中，按摩尔比，1,5
‑
二氨基萘：环氧氯丙烷＝1:8。
[0021]优选地，上述的制备方法，步骤(2)中，按摩尔比，1,5
‑
二氨基萘：乙二胺＝1:8。
[0022]优选地，上述的制备方法，步骤(3)，按摩尔比，1,5
‑
二氨基萘：3
‑
缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷＝1:12，整个旋蒸除杂的过程水浴温度不超过40℃，旋蒸时间不超过1h。
[0023]上述的一种萘基高反应活性石墨烯分散剂在石墨烯分散液制备中的应用，包括以下步骤：在萘基高反应活性石墨烯分散剂的水溶液中或醇溶液中加入石墨烯粉末，通过超声处理进行初步分散，再用超声波细胞粉碎机超声处理，即得到石墨烯的分散液。
[0024]优选地，上述的应用，所述的超声过程为：制备石墨烯水分散液，冰水浴超声1min后，在冰水浴环境中，超声波细胞粉碎机350W下，每超声3s后停3s，持续30min。
[0025]优选地，上述的应用，所述的超声过程为：制备石墨烯乙醇分散液，冰水浴超声5min后，在冰水浴环境中，超声波细胞粉碎机350W下，每超声3s后停3s，持续1h。
[0026]优选地，上述的应用，若石墨烯乙醇分散液的浓度大于5mg
·
mL
‑1，则超声的时间需要延长至1.5h。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的石墨烯分散剂对石墨烯具有优异的分散能力，分散液在静置状态下能保持长时间的稳定存在。在水中的最高分散浓度可以达到16mg
·
mL
‑1，在乙醇中的最高分散浓度可达12mg
·
mL
‑1。且分散剂的用量可以低至与石墨烯的质量比为0.25:1。除此之外，丰富的硅羟基还具有高反应活性，能够充分扩大该分散剂的应用前景。
[0028]萘基高反应活性石墨烯分散剂主要由萘二胺单元、硅羟基和烷基链三个部分组成。首先，萘二胺可以与石墨烯通过π
‑
π作用紧密结合；其次，硅羟基不仅可以使该分散剂溶于水和其他极性溶剂，还具有自交联反应活性。在很少的分散剂用量下，即可使石墨烯高浓度分散在水、乙醇等极性有机溶剂中。同时分散剂还可以作为高反应活性位点使石墨烯与
其他材料相结合。因此，本专利技术具有广阔的应用前景。
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例1中原料和制得分散剂MSiND前驱体的1H NMR谱图。
[0030]图2为本专利技术实施例2中所获得的石墨烯水分散液的SEM及TEM图。
[0031]图3为本专利技术实施例3中所获得的石墨烯乙醇分散液的SEM及TEM图。
[0032]图4为本专利技术对比例1中不同浓度的水、乙醇分散液的粒径分布图。
具体实施方式<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种萘基高反应活性石墨烯分散剂，其特征在于，其化学结构式如式(Ⅳ)所示：2.权利要求1所述的一种萘基高反应活性石墨烯分散剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将1,5
‑
二氨基萘与过量环氧氯丙烷溶解于溶剂中后，于80℃下回流反应24h，再进行旋蒸除杂，得到深棕色粘稠液体，结构式如式(Ⅰ)所示，2)将(Ⅰ)通过水浴超声完全溶解于溶剂中，加入过量的乙二胺，80℃条件下回流反应24h，再进行旋蒸除杂，得到棕黄色的粘稠液体，结构式如(Ⅱ)所示。3)将(Ⅱ)通过水浴超声完全溶解于溶剂中，加入3
‑
缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅
烷，80℃条件下回流反应24h，反应全程保持无水干燥，再进行多次旋蒸除杂，得到棕色粘稠液体，(Ⅲ)，为分散剂前驱体，4)取一定量的分散剂前驱体(Ⅲ)，迅速加入到酸溶液中，于60℃下水解150h得到深红色的液体，即得到萘基高反应活性石墨烯分散剂MSiND。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，使用甲醇或乙醇作为反应的溶剂。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，按摩尔比，1,5
‑
二氨基萘：环氧氯丙烷＝1:8。5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔俊硕，刘诗祎，陈霞，冯小庚，于海彪，高婧，熊英，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：