一种石墨烯、其制备方法及石墨烯水基分散体技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：(1)以石墨粉、浓硫酸、高锰酸钾粉末、双氧水、浓盐酸和去离子水为原料制得酸性多杂质的氧化石墨烯分散液，加入碱性溶液调节pH值；(2)在多杂质的氧化石墨烯分散液中加入碳酸盐或碳酸氢盐，搅拌反应后得到多杂质石墨烯分散液；(3)通过减压蒸馏浓缩步骤(2)所得的多杂质石墨烯分散液，然后向其中缓慢加入非水溶剂至出现的结晶物不再增加后，停止非水溶剂加入；(4)去除步骤(3)中所得混合溶液中的结晶物和非水溶剂后获得石墨烯。该制备方法可以制得缺陷较少、质量较高的石墨烯；该石墨烯与表面活性剂混合制得的石墨烯水基分散体分散稳定性较好，可以提高其在应用体系中的相容性。可以提高其在应用体系中的相容性。可以提高其在应用体系中的相容性。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯、其制备方法及石墨烯水基分散体


[0001]本专利技术属于石墨烯
，特别涉及一种石墨烯、其制备方法以及利用该石墨烯所得的石墨烯水基分散体。

技术介绍

[0002]碳作为世界上存在形式较为丰富的元素，其应用的广泛性与多样性早已被人们所发现与重视。碳纳米材料是指分散相尺寸至少有一维小于100nm的碳材料。随着科技的不断发展，碳纳米材料在人类的生产和生活中正逐渐显示出不可替代的重要作用。
[0003]2004年被A.Geim和K.Novoselov发现的石墨烯碳纳米材料是由碳原子相互紧密连接在一起形成二维蜂窝状晶格结构的单层平面材料，经剪裁包裹形成富勒烯、卷曲形成碳纳米管、重叠形成石墨。结构类似于芳烃的石墨烯，由于π
‑
π键的影响导致其化学性质活泼程度偏低、难分散且极易团聚，这也极大地限制了它的发展和应用。石墨烯的制备方式有很多种，如微机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积与外延取向生长法、氧化石墨烯还原制备石墨烯法。其中，微机械剥离法产生的石墨烯品质最高但产量非常低，制备的石墨烯仅用于科学研究；液相剥离法制备的石墨烯分散液中含有的多层石墨烯缺陷少、质量高，但无法调控石墨烯的层数；化学气相沉积与外延取向生长法，这两种方法对设备要求高且原料转化率低，制备的石墨烯薄膜附着在基底上难以剥离；氧化石墨烯还原制备石墨烯法，作为现阶段的规模化生产方法，尽管在实际生产中仍在不断的优化和改进，但形成的石墨烯在高端应用领域中仍存在一些限制。现如今如何低成本制备缺陷少、层数少、高质量且纯度高的石墨烯及具有良好分散性的石墨烯分散体，被广泛研究，目的是为了更好的将石墨烯应用于纺织、涂料、能量存储和转换设备等领域。如中国专利CN105949760B公开了一种使用氧化石墨烯分散液加入尼龙单体中加热混合均匀后，采用分段加热进行原位聚合的技术路线，制备高导热石墨烯/尼龙复合材料的方法；中国专利CN109666259B揭示了一种改性氧化石墨烯、改性石墨烯和改性石墨烯环氧树脂分散液的制备方法，该方法在石墨烯表面接枝苯类刚性化学基团，利用其空间位阻作用降低石墨烯间的范德华力，并增加石墨烯与环氧树脂间的相容性，以此来增加石墨烯在环氧涂料中的分散效果。制备具有良好分散效果的石墨烯分散体是实现其在纺织、涂料、能量存储和转换设备等领域应用的关键技术，但是，现有的氧化石墨烯及其分散体的制备技术存在操作复杂、效率低等一系列缺陷，限制了石墨烯在上述领域的推广应用。
[0004]国内外公开了大量石墨烯及其分散体的制备和应用技术，如中国专利CN102066245B公开了一种石墨烯分散体的制备方法，其实施例1中表示石墨烯的制备是将Hummer
’
s改进法中获得的氧化石墨烯经透析纯化，经超声、离心等处理方式后，再在碱溶液中加入还原剂(肼、硼氢化钠等)还原氧化石墨烯。一般情况下，离心的目的是为了除去未剥离的石墨，但需要较多的设备投入和时间投入，并且肼、硼氢化钠等还原剂的环境污染风险较大。中国专利CN102701187B公开了一种石墨烯的制备方法和使用该方法制备的石墨烯，以石墨为原料，在石墨层间插入金属制的石墨层间化合物，然后剥离该化合物制备石墨烯。
尽管这种制备石墨烯的方法成本低，但剥离得到的石墨烯片层可能会由于金属原子无序性长大破环石墨烯的结构，同时引入金属也限制了石墨烯的应用领域。美国专利US9950930B2公开了一种石墨烯的制备方法，先将碳基材料与分散剂形成分散液，然后将分散液连续穿过出入口之间连接有微米级直径的微孔道的高压均质机，进而剥离碳基材料形成纳米级厚度的石墨烯。与之对应的，韩国专利KR102097814B1中公开了一种高压均质机及使用该均质机制造石墨烯的方法，对高压均质机中的微孔道进行了详细的描述，具体包括第一流动通道中的多个第一隔板和第二流动通道中的多个第二隔板。
[0005]制备水基石墨烯分散体，经常会根据应用体系要求，选择合适的分散剂体系，例如，在涂料领域方面，一般是以石墨烯液体添加其中，其结果一方面改善涂料的硬度、耐磨性、抗氧化性、固化速率、流变性等性能，另一方面使涂料获得某种特殊性能，如防腐、导电、阻燃等。但石墨烯碳纳米材料一般具有较高的比表面积，不易分散。中国专利CN107010614A公开了一种碳纳米材料的水基分散液及其制备方法，提出可以选择石墨烯纳米材料、表面活性剂、还原性糖在水中共混后经研磨、静态混合制备得到分散稳定性良好的石墨烯碳纳米材料水基分散液。中国专利CN105645387B公开了一种石墨烯分散剂及其应用，这种分散剂是具有电活性的苯胺低聚物衍生物，能够与石墨烯形成π
‑
π复合物。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种石墨烯、其制备方法及石墨烯水基分散体；该制备方法结合氧化还原工艺、碱液还原工艺以及非水溶剂结晶剥离工艺制得缺陷较少、质量较高的石墨烯；该石墨烯与表面活性剂混合制得的石墨烯水基分散体分散稳定性较好，可以提高其在应用体系中的相容性。
[0007]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)以石墨粉、浓硫酸、高锰酸钾粉末、双氧水、浓盐酸和去离子水为原料制得酸性多杂质的氧化石墨烯分散液，然后向其中加入碱性溶液，调节pH值≥7；
[0010](2)在步骤(1)所得的多杂质的氧化石墨烯分散液中加入碳酸盐或碳酸氢盐，搅拌反应后得到多杂质石墨烯分散液；
[0011](3)通过减压蒸馏浓缩步骤(2)所得的多杂质石墨烯分散液至原有体积的1/10～1/50后，向其中缓慢加入非水溶剂至出现的结晶物不再增加后，停止非水溶剂加入；
[0012](4)经分层、过滤、水洗、干燥去除步骤(3)中所得混合溶液中的结晶物和非水溶剂后获得纯净的石墨烯。
[0013]进一步的，步骤(1)中，酸性多杂质的氧化石墨烯分散液的具体制备过程为：将干燥的石墨粉加入到搅拌状态下的95～98％浓硫酸中，在2～5℃的温度条件和搅拌状态下继续缓慢加入高锰酸钾粉末后，将其升温至35～40℃，保持该状态搅拌2～4h后，再将所得溶液转移到去离子水的冰水混合物中，然后向所得溶液的水稀释液中加入双氧水，待溶液呈现金黄色且产生的气泡逐渐消散后，再加入浓盐酸，得到酸性多杂质的氧化石墨烯分散液。
[0014]其中，干燥的石墨粉与95～98％浓硫酸的比值为1:25(w/v)，干燥石墨粉与高锰酸钾粉末的比值为1:(3.5～4.0)(w/w)，冰水混合物与95～98％浓硫酸的比值为5:1(v/v)，高锰酸钾粉末与双氧水的比值为1:(2～3)(w/v)，浓盐酸与95～98％浓硫酸的比值为0.5:1
(v/v)。
[0015]进一步的，所述双氧水的浓度≥25％，优选为30％；浓盐酸的浓度≥35％，优选为35～37％。
[0016]进一步的，所述石墨粉为鳞片状、纯度≥95％、目数在500～1200目之间且含水量＜0.1％的石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)以石墨粉、浓硫酸、高锰酸钾粉末、双氧水、浓盐酸和去离子水为原料制得酸性多杂质的氧化石墨烯分散液，然后向其中加入碱性溶液调节pH值；(2)在步骤(1)所得的多杂质的氧化石墨烯分散液中加入碳酸盐或碳酸氢盐，搅拌反应后得到多杂质石墨烯分散液；(3)通过减压蒸馏浓缩步骤(2)所得的多杂质石墨烯分散液，然后向其中缓慢加入非水溶剂至出现的结晶物不再增加后，停止非水溶剂加入；(4)经分层、过滤、水洗、干燥去除步骤(3)中所得混合溶液中的结晶物和非水溶剂后获得石墨烯。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，酸性多杂质的氧化石墨烯分散液的具体制备过程为：将干燥的石墨粉加入到搅拌状态下的95～98％浓硫酸中，在2～5℃的温度条件和搅拌状态下继续缓慢加入高锰酸钾粉末后，将其升温至35～40℃，保持该状态搅拌2～4h后，再将所得溶液转移到去离子水的冰水混合物中，然后向所得溶液的水稀释液中加入双氧水，待溶液呈现金黄色且产生的气泡逐渐消散后，再加入浓盐酸，得到酸性多杂质的氧化石墨烯分散液。3.根据权利要求1或2所述的一种石...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鹏，吕仕铭，宋文强，杨德佑，
申请(专利权)人：常熟世名化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：