CN102153870B - 一种石墨烯聚膦腈纳米复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米石墨烯功能材料技术领域，涉及一种制备石墨烯聚膦腈纳米复合材料的的方法。将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨,经过超声分散制备成氧化石墨烯,加入还原剂（水合肼）还原得到石墨烯；将石墨烯超声分散在特定溶剂中，依次加入六氯环三膦腈、4,4’-二羟基二苯砜、三乙胺，超声反应一定时间，经简单后处理后即可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料。本工艺过程简单，成本低，产率高，制得的复合材料中石墨烯被聚膦腈均匀包覆，纳米功能性好，结构性能稳定，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及纳米石墨烯功能材料技术领域，尤其涉及一种通过原位聚合形成稳定石墨烯聚膦腈纳米复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯，是由单层碳原子通过共价键（碳sp2杂化轨道所形成的σ键π键）结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体，其厚度只有0.335纳米，是目前发现的最薄的层状材料。由于其独特的二维纳米结构以及优异的晶体品质，石墨烯具有十分优异的电学、热学、磁学和力学性能，有望在高性能纳电子器件、气体传感器、薄膜材料、 储能材料、 液晶材料、 催化材料、生物医用材料等领域获得广泛应用。将石墨烯碎片有效地分散在某些特定的基质材料（如高分子）中形成的复合材料不仅延续了基质材料的某些优越性质，如成本较低、易加工等，更重要的是具有比其它复合材料高的导电和导热性能，以及超强的机械性能，是一种集各种优越性能于一体的新型复合材料。然而，目前制备的石墨烯纳米复合材料并不多，主要是因为石墨烯既不亲水也不亲油，反应活性不高，使得对它进行改性比较困难，从而导致与其它材料复合也比较困难。现在制备石墨烯纳米复合材料主要是先让氧化石墨与其它材料复合，再将其中的氧化石墨还原得到石墨烯纳米复合材料。但是复合后的氧化石墨在剥离和还原成石墨烯的过程中，会导致石墨烯结构上的缺陷，严重影响石墨烯的优异性能。
聚膦腈(Polyphosphazenes)是主链上以磷氮原子交替排列，侧链为有机取代基的一类新型有机无机杂化高分子，具有优异的光热稳定性、抗氧化性、耐辐射，耐低温、生物相容性及生物可降解性等，在生物医用材料、反应型阻燃添加剂、非线性光学材料、分离膜、摩擦材料、弹性体、药物控释载体、液晶高分子、有机无机掺杂材料及固体聚合物电解质等领域有着广泛的应用。
本方法采用一种便捷的方法在超声中以石墨烯为模板，在石墨烯片上原位聚合生成石墨烯聚膦腈纳米复合材料。其优势在于：（1）先合成出石墨烯，再用聚合物进行包覆，可减小石墨烯结构的破坏，从而使石墨烯的优异性能在复合材料中能达到充分发挥（2）包覆在石墨烯表面的聚膦腈含有大量功能基团（如羟基等），可进一步实现石墨烯表面功能化（3）加工制备工艺简单，设备要求低，易于加工生产。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种新型石墨烯聚膦腈纳米复合材料的原位聚合制备方法，其特点是先采用化学还原和超声剥离法合成出石墨烯，再在超声中，以石墨烯为模板，通过原位聚合法制备出石墨烯聚膦腈纳米复合材料。本发明工艺条件简单，制备出的石墨烯聚膦腈纳米复合材料兼具石墨烯和聚膦腈材料的优异性质，用途广泛。
本发明一种石墨烯聚膦腈纳米复合材料的制备方法，按照下述步骤进行：
（1）称取天然石墨于反应容器中，加入质量浓度为95%浓硫酸，0°C冰浴下，加入KMnO4，低温反应2h；置于35°C左右的恒温水浴中持续反应1h；加入去离子水，控制温度在100 °C左右，高温持续反应1h；然后将反应液移入烧杯中，用去离子水将反应液稀释，加质量浓度为30 %H2O2溶液直至无气泡产生，分别用酸性水溶液和去离子水洗涤产物，真空干燥后得到氧化石墨；
（2）将氧化石墨超声分散在去离子水中，向其中加入质量浓度为85%水合肼溶液，置于95°C的油浴中反应2h，用聚四氟乙烯滤膜真空抽滤，水洗后干燥得到石墨烯；
（3）将石墨烯超声分散在特定溶剂中，依次加入一定量六氯环三膦腈、4,4’-二羟基二苯砜、三乙胺，在一定超声功率下超声反应一定时间，反应液用溶剂、去离子水、95%乙醇各洗涤三次，50℃下真空干燥24h，可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料。
其中步骤（1）中所述的天然石墨与质量浓度为95%浓硫酸的质量与体积比(质量g:体积mL)为1:25；天然石墨与KMnO4的质量比为1:3；天然石墨与去离子水的质量与体积比(质量g:体积mL)为1:45；天然石墨与质量浓度为30 %H2O2溶液的质量与体积比(质量g:体积mL)为1:5。
其中步骤（2）中所述的氧化石墨与去离子水的质量与体积比(质量g:体积mL)为1:1000；氧化石墨与质量浓度为85%水合肼溶液的质量与体积比(质量g:体积mL)为1:100。
其中步骤（3）中所述的特定溶剂可以是乙醇，乙腈，四氢呋喃，丙酮，石油醚，二氧六环，乙醚或者它们的混合溶剂；石墨烯与特定溶剂的质量与体积比(质量g:体积mL)为1:500-5000；石墨烯与六氯环三膦腈的质量比为1: 0.1-100；六氯环三膦腈与4,4’-二羟基二苯砜的摩尔比为1：0.5-5；六氯环三膦腈与三乙胺的摩尔比为1: 0.1-10。
其中步骤（2）和（3）中超声功率为50～240 W，超声功率为40 kHz；反应时间为1-20h。
本发明与现有技术相比具有以下显著优点：
（1）利用聚膦腈的合成特性，在石墨烯表面原位生成聚膦腈得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料，可减小石墨烯结构的破坏，从而使石墨烯的优异性能在复合材料中达到充分发挥。（2）聚膦腈含有大量功能基团（如羟基等），用聚膦腈来包覆石墨烯，可实现石墨烯表面功能化。（3）本发明反应操作与工艺条件简单，成本低廉，易于实现规模化生产。（4）应用本发明合成出的石墨烯聚膦腈纳米复合材料兼具石墨烯和聚膦腈材料以及纳米材料的优异性质，可在生物医用材料、液晶高分子材料、纳米薄膜材料、催化材料等领域有着较好的应用前景和经济效益。
附图说明
图1是实施例1所得的石墨烯聚膦腈纳米复合材料的傅里叶变换红外光谱图；
图2是实施例1所得的石墨烯聚膦腈纳米复合材料的扫描电镜照片；
图3是实施例1所得的石墨烯聚膦腈纳米复合材料的X射线能谱；
图4是实施例1所得的石墨烯聚膦腈纳米复合材料的热重分析。
具体实施方式：
实施例1
称取2.0g天然石墨于反应容器中，加入50 mL质量浓度为95%浓硫酸，0°C冰浴下，加入6.0g KMnO4，低温反应2h；置于35°C左右的恒温水浴中，中温持续反应1h；加入90 mL去离子水，控制温度在100 °C左右，高温持续反应1h；然后将反应液移入烧杯中，用去离子水将反应液稀释,加质量浓度为30 %H2O2溶液直至无气泡产生，分别用酸性水溶液和去离子水洗涤产物，真空干燥后得到氧化石墨。
0.05g氧化石墨超声分散在50ml去离子水得到氧化石墨烯，向其中加入5 mL质量浓度为85%水合肼溶液，置于95°C的油浴中反应2h，用聚四氟乙烯滤膜真空抽滤，水洗后干燥得到石墨烯。
将0.05g石墨烯超声分散在50ml乙腈中，依次加入一定量0.1g六氯环三膦腈、0.216g 4,4’-二羟基二苯砜、0.5ml三乙胺，在150w超声功率下超声反应10h，反应液用去离子水、95%乙醇各洗涤三次，50℃下真空干燥24h，即可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料。
图1是实施例1所得的石墨烯聚膦腈纳米复合材料的傅里叶变换红外光谱图，由图可知，已经成功合成出石墨烯聚膦腈纳米复合材料。
图2是实施例1所得的石墨烯聚膦腈纳米复合材料的扫描电镜照片，由图可知，石墨烯表面被聚膦腈包覆，形成了片层结构的复合材料。
图3是实施例1所得的石墨烯聚膦腈纳米复合材料的X射线能谱，由图可知，得到的复合材料中含有C、O、S、P、Cl等元素，证实了是由石墨烯和聚膦腈组成的。
图4是实施例1所得的石墨烯聚膦腈纳米复合材料的热重分析图，说明石墨烯聚膦腈纳米复合材料具有良好的热稳定性。
实施例2
称取2.0g天然石墨于反应容器中，加入50 mL质量浓度为95%浓硫酸，0°C冰浴下，加入6.0g KMnO4，低温反应2h；置于35°C左右的恒温水浴中，中温持续反应1h；加入90 mL去离子水，控制温度在100 °C左右，高温持续反应1h；然后将反应液移入烧杯中，用去离子水将反应液稀释,加质量浓度为30 %H2O2直至无气泡产生，分别用酸性水溶液和去离子水洗涤产物，真空干燥后得到氧化石墨。
0.05g氧化石墨超声分散在50ml去离子水得到氧化石墨烯，向其中加入5 mL质量浓度为85%水合肼溶液，置于95°C的油浴中反应2h，用聚四氟乙烯滤膜真空抽滤，水洗后干燥得到石墨烯。
将0.05g石墨烯超声分散在50ml丙酮中，依次加入一定量0.1g六氯环三膦腈、0.216g 4,4’-二羟基二苯砜、0.5ml三乙胺，在150w超声功率下超声反应10h，反应液用去离子水、95%乙醇各洗涤三次，50℃下真空干燥24h，即可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料。
实施例3
称取2.0g天然石墨于反应容器中，加入50 mL质量浓度为95%浓硫酸，0°C冰浴下，加入6.0g KMnO4，低温反应2h；置于35°C左右的恒温水浴中，中温持续反应1h；加入90 mL去离子水，控制温度在100 °C左右，高温持续反应1h；然后将反应液移入烧杯中，用去离子水将反应液稀释,加质量浓度为30 %H2O2直至无气泡产生，分别用酸性水溶液和去离子水洗涤产物，真空干燥后得到氧化石墨。
0.05g氧化石墨超声分散在50ml去离子水得到氧化石墨烯，向其中加入5 mL质量浓度为85%水合肼溶液，置于95°C的油浴中反应2h，用聚四氟乙烯滤膜真空抽滤，水洗后干燥得到石墨烯。
将0.05g石墨烯超声分散在50ml四氢呋喃中，依次加入一定量0.1g六氯环三膦腈、0.216g 4,4’-二羟基二苯砜、0.5ml三乙胺，在150w超声功率下超声反应10h，反应液用去离子水、95%乙醇各洗涤三次，50℃下真空干燥24h，即可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料。
实施例4
称取2.0g天然石墨于反应容器中，加入50 mL质量浓度为95%浓硫酸，0°C冰浴下，加入6.0g KMnO4，低温反应2h；置于35°C左右的恒温水浴中，中温持续反应1h；加入90 mL去离子水，控制温度在100 °C左右，高温持续反应1h；然后将反应液移入烧杯中，用去离子水将反应液稀释，加质量浓度为30 %H2O2直至无气泡产生，分别用酸性水溶液和去离子水洗涤产物，真空干燥后得到氧化石墨。
0.05g氧化石墨超声分散在50ml去离子水得到氧化石墨烯，向其中加入5 mL质量浓度为85%水合肼溶液，置于95°C的油浴中反应2h，用聚四氟乙烯滤膜真空抽滤，水洗后干燥得到石墨烯。
将0.05g石墨烯超声分散在50ml乙腈中，依次加入一定量0.1g六氯环三膦腈、0.432g 4,4’-二羟基二苯砜、0.5ml三乙胺，在150w超声功率下超声反应10h，反应液用去离子水、95%乙醇各洗涤三次，50℃下真空干燥24h，即可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料。
实施例5
称取2.0g天然石墨于反应容器中，加入50 mL质量浓度为95%浓硫酸，0°C冰浴下，加入6.0g KMnO4，低温反应2h；置于35°C左右的恒温水浴中，中温持续反应1h；加入90 mL去离子水，控制温度在100 °C左右，高温持续反应1h；然后将反应液移入烧杯中，用去离子水将反应液稀释，加质量浓度为30 %H2O2直至无气泡产生，分别用酸性水溶液和去离子水洗涤产物，真空干燥后得到氧化石墨。
0.05g氧化石墨超声分散在50ml去离子水得到氧化石墨烯，向其中加入5 mL质量浓度为85%水合肼溶液，置于95°C的油浴中反应2h，用聚四氟乙烯滤膜真空抽滤，水洗后干燥得到石墨烯。
将0.05g石墨烯超声分散在50ml乙腈中，依次加入一定量0.1g六氯环三膦腈、0.216g 4,4’-二羟基二苯砜、1ml三乙胺，在150w超声功率下超声反应10h，反应液用去离子水、95%乙醇各洗涤三次，50℃下真空干燥24h，即可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料。
实施例6
称取2.0g天然石墨于反应容器中，加入50 mL质量浓度为95%浓硫酸，0°C冰浴下，加入6.0g KMnO4，低温反应2h；置于35°C左右的恒温水浴中，中温持续反应1h；加入90 mL去离子水，控制温度在100 °C左右，高温持续反应1h；然后将反应液移入烧杯中，用去离子水将反应液稀释，加质量浓度为30 %H2O2直至无气泡产生，分别用酸性水溶液和去离子水洗涤产物，真空干燥后得到氧化石墨。
0.05g氧化石墨超声分散在50ml去离子水得到氧化石墨烯，向其中加入5 mL质量浓度为85%水合肼溶液，置于95°C的油浴中反应2h，用聚四氟乙烯滤膜真空抽滤，水洗后干燥得到石墨烯。
将0.05g石墨烯超声分散在50ml乙腈中，依次加入一定量0.1g六氯环三膦腈、0.216g 4,4’-二羟基二苯砜、0.5ml三乙胺，在240w超声功率下超声反应10h，反应液用去离子水、95%乙醇各洗涤三次，50℃下真空干燥24h，即可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料。
实施例7
称取2.0g天然石墨于反应容器中，加入50 mL质量浓度为95%浓硫酸，0°C冰浴下，加入6.0g KMnO4，低温反应2h；置于35°C左右的恒温水浴中，中温持续反应1h；加入90 mL去离子水，控制温度在100 °C左右，高温持续反应1h；然后将反应液移入烧杯中，用去离子水将反应液稀释，加质量浓度为30 %H2O2直至无气泡产生，分别用酸性水溶液和去离子水洗涤产物，真空干燥后得到氧化石墨。
0.05g氧化石墨超声分散在50ml去离子水得到氧化石墨烯，向其中加入5 mL质量浓度为85%水合肼溶液，置于95°C的油浴中反应2h，用聚四氟乙烯滤膜真空抽滤，水洗后干燥得到石墨烯。
将0.05g石墨烯超声分散在50ml乙腈中，依次加入一定量0.1g六氯环三膦腈、0.216g 4,4’-二羟基二苯砜、0.5ml三乙胺，在150w超声功率下超声反应20h，反应液用去离子水、95%乙醇各洗涤三次，50℃下真空干燥24h，即可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料。
Claims (4)
1.一种石墨烯聚膦腈纳米复合材料的制备方法，其特征在于按照下述步骤进行：
（1）称取天然石墨于反应容器中，加入质量浓度为95%浓硫酸，0℃冰浴下，加入KMnO4，低温反应2h；置于35℃的恒温水浴中持续反应1h；加入去离子水，控制温度在100℃，高温持续反应1h；然后将反应液移入烧杯中，用去离子水将反应液稀释，加质量浓度为30 %H2O2溶液直至无气泡产生，分别用酸性水溶液和去离子水洗涤产物，真空干燥后得到氧化石墨；
（2）将氧化石墨超声分散在去离子水中，向其中加入质量浓度为85%水合肼溶液，置于95℃的油浴中反应2h，用聚四氟乙烯滤膜真空抽滤，水洗后干燥得到石墨烯；
（3）将石墨烯超声分散在特定溶剂中，依次加入一定量六氯环三膦腈、4,4’-二羟基二苯砜、三乙胺，在一定超声功率下超声反应一定时间，反应液用去离子水、95%乙醇各洗涤三次，50℃下真空干燥24h，可得到石墨烯聚膦腈纳米复合材料；
其中步骤（3）中所述的特定溶剂为乙醇，乙腈，四氢呋喃，丙酮，石油醚，二氧六环，乙醚或者它们的混合溶剂；石墨烯与特定溶剂的质量与体积比为1:500-5000(g:mL)；石墨烯与六氯环三膦腈的质量比为1: 0.1-100；六氯环三膦腈与4,4’-二羟基二苯砜的摩尔比为1：0.5-5；六氯环三膦腈与三乙胺的摩尔比为1: 0.1-10。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯聚膦腈纳米复合材料的制备方法，其特征在于其中步骤（1）中所述的天然石墨与质量浓度为95%浓硫酸的质量与体积比为1:25(g:mL)；天然石墨与KMnO4的质量比为1:3；天然石墨与去离子水的质量与体积比为1:45(g:mL)；天然石墨与质量浓度为30 %H2O2溶液的质量与体积比为1:5(g:mL)。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯聚膦腈纳米复合材料的制备方法，其特征在于其中步骤（2）中所述的氧化石墨与去离子水的质量与体积比为1:1000(g:mL)；氧化石墨与质量浓度为85%水合肼溶液的质量与体积比为1:100(g:mL)。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯聚膦腈纳米复合材料的制备方法，其特征在于其中步骤（2）和（3）中超声功率为50～240 W，超声频率为40 kHz；反应时间为1-20h。
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