CN102730674B - 一种硅氢加成法改性石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅氢加成法改性石墨烯的方法，先用烯丙基三乙氧基硅烷对氧化石墨烯进行预处理，还原后得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯。然后以甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷为单体，在Pt/C催化剂的作用下，通过硅氢加成反应，在石墨烯表面引入超支化结构，经抽滤、洗涤，得到超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯。该超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯，不仅可提高石墨烯的分散性，而且可赋予石墨烯新的功能，如良好的生物相容性、紫外光固化性等，具有广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米技术领域的方法，具体说是一种硅氢加成法改性石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯自2004年被发现以来，由于其主要性能指标均与碳纳米管相当甚至更好，并且避免了碳纳米管研究和应用中难以逾越的手性控制、金属型和半导体型分离以及催化剂杂质等难题，并且价格低廉，具有广泛的重要的应用价值。但是，由于石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质的相互作用较弱，并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力，容易产生聚集，从而使其分散效果较差。
目前，为了提高石墨烯的分散性，研究人员进行了卓有成效的工作。目前研究的比较多的功能化的方法是非共价键功能化和共价键功能化。非共价键功能化主要是通过π-π相互作用、离子键以及氢键等非共价键作用对石墨烯进行表面功能化。然而，由于石墨烯和改性修饰基团间的非共价键作用力相对较弱，加入到树脂基体中形成的界面结合强度有限。因此，通过共价键作用对石墨烯进行改性是目前研究最为广泛的功能化方法。研究发现，采用不同的有机小分子对石墨烯进行功能化，可以获得具有水溶性或有机可溶的石墨烯，或赋予其新的功能。例如，利用十八胺、卟啉以及芳基重氮盐改性石墨烯，都使石墨烯在有机溶剂中的分散性大大提高。另外，通过特定的有机小分子修饰还可使石墨烯具备良好的电性能、热性能以及储氢等功能。
除了此之外，线性聚合物也可以用来对石墨烯进行共价键修饰和功能化。例如通过氧化石墨烯表面的环氧基团与多聚赖氨酸的氨基反应可制备具有生物相容性的多聚赖氨酸修饰的石墨烯；通过氧化石墨烯表面的羧基和聚乙烯醇的羟基反应可制备聚乙烯醇修饰的石墨烯；在引发剂过氧化二苯甲酰作用下可获得聚苯乙烯-聚丙烯酰胺嵌段共聚物改性的石墨烯；通过嫁接技术利用原子转移硝基氧自由基偶合化学反应可制备在有机溶剂和水中均有很好分散性的石墨烯。利用不同分子量的聚乙二醇、聚苯乙烯、十六烷酸和各种氨基酸对氧化石墨烯功能化，制备了聚合物接枝的2D分子刷和固定了氨基酸的纳米片，且产物在溶剂中的分散性良好。但目前尚未见到用超支化聚合修饰石墨烯的报道。
超支化聚硅氧烷具有低粘度、高流变性、良好的溶解性，为提高石墨烯的分散性提供了有利条件，特别是其分子末端存在Si-Cl、Si-H、Si-OH、Si-NH2等活性基团，易于根据不同的需要进行分子设计。因此，本发明利用硅氢加成法将超支化聚硅氧烷引入石墨烯表面，这样，不仅可提高石墨烯的分散性，而且可赋予石墨烯新的功能，如良好的生物相容性和紫外光固化性等，具有广泛的应用。
发明内容
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种硅氢加成法改性石墨烯的方法。
一种硅氢加成法改性石墨烯的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将氧化石墨和烯丙基乙氧基硅烷按质量比1：1～10混合，加入100～1000mL95％乙醇，调节pH值为3～6，用超声波分散1～4h，然后在40℃～80℃反应2～6h；之后加入10～80mL水合肼及20～80mL氨水，在50℃～100℃进行还原，反应2～6h后，抽滤，洗涤，真空干燥12h，得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯；
步骤2：烯丙基硅烷接枝的石墨烯与甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷按照1：1～500质量比例混合，加入0.1～4％Pt/C催化剂，在氮气保护条件下于30℃～80℃下反应1～10小时后，抽滤，用乙醇洗涤，即得硅氢加成法改性石墨烯。
本发明相对于现有技术，其优点为：
本发明以结构简单、易于合成的甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷作为超支化聚硅氧烷单体，成本较低，接枝方法简单。特别是，在硅氢加成反应中采用了催化剂，反应条件温和，反应速率加快，产率增高，在反应的过程中采用了氮气保护，避免了空气的中氧气和不饱和双键的反应，降低了副产物的产生。所修饰的产物保证了石墨烯表面具有一定量的活性双键，不仅可提高石墨烯的分散性，而且可赋予石墨烯新的功能，如良好的生物相容性以及紫外光固化性等，具有广泛的应用。
附图说明
图1为硅氢加成法改性石墨烯工艺流程图；
图2为烯丙基硅烷修饰石墨烯的红外光谱图；
图3为超支化聚硅氧烷修饰石墨烯的红外光谱图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提出一种硅氢加成法改性石墨烯的方法，首先用烯丙基乙氧基硅烷对氧化石墨烯进行预处理，表面接枝上烯丙基硅烷后还原，再以甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷为单体，在Pt/C催化剂的作用下通过硅氢加成反应，在石墨烯表面引入超支化结构，抽滤，洗涤，得到超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯。其原理如下所示：
（烯丙基硅烷接枝石墨烯）
（超支化聚硅氧烷修饰石墨烯）
实施实例1：
（1）将氧化石墨和烯丙基三乙氧基硅烷按质量比1：1混合，加入200mL95％乙醇，调节pH值为4，用超声波分散2h，然后加入三口烧瓶中在50℃恒温反应3h。之后加入40mL水合肼及40mL氨水，在60℃进行还原，反应4h后，抽滤，用去离子水洗涤，真空干燥12h，得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯。
（2）烯丙基硅氧烷接枝的石墨烯与甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷按照1：20质量比例加入三口烧瓶中，加入0.2％Pt/C催化剂，在氮气保护条件下于40℃下反应7小时，之后抽滤，用乙醇洗涤，即得超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯。
实施实例2：
（1）将氧化石墨和烯丙基三乙氧基硅烷按质量比1：2混合，加入300mL95％乙醇，调节pH值为4，用超声波分散2h，然后加入三口烧瓶中在50℃恒温反应3h。之后加入40mL水合肼及40mL氨水，在60℃进行还原，反应4h后，抽滤，用去离子水洗涤，真空干燥12h，得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯。
（2）烯丙基硅氧烷接枝的石墨烯与甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷按照1：40质量比例加入三口烧瓶中，加入0.5％Pt/C催化剂，在氮气保护条件下于50℃下反应6小时，之后抽滤，用乙醇洗涤，即得超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯。
实施实例3：
（1）将氧化石墨和烯丙基三乙氧基硅烷按质量比1：3混合，加入350mL95％乙醇，调节pH值为4，用超声波分散2h，然后加入三口烧瓶中在50℃恒温反应3h。之后加入40mL水合肼及40mL氨水，在60℃进行还原，反应4h后，抽滤，用去离子水洗涤，真空干燥12h，得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯。
（2）烯丙基硅氧烷接枝的石墨烯与甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷按照1：60质量比例加入三口烧瓶中，加入1％Pt/C催化剂，在氮气保护条件下于60℃下反应5小时，之后抽滤，用乙醇洗涤，即得超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯。
实施实例4：
（1）将氧化石墨和烯丙基三乙氧基硅烷按质量比1：4混合，加入350mL95％乙醇，调节pH值为4，用超声波分散2h，然后加入三口烧瓶中在50℃恒温反应4h。之后加入40mL水合肼及40mL氨水，在60℃进行还原，反应4h后，抽滤，用去离子水洗涤，真空干燥12h，得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯。
（2）烯丙基硅氧烷接枝的石墨烯与甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷按照1：100质量比例加入三口烧瓶中，加入2％Pt/C催化剂，在氮气保护条件下于60℃下反应5小时，之后抽滤，用乙醇洗涤，即得超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯。
实施实例5：
（1）将氧化石墨和烯丙基三乙氧基硅烷按质量比1：5混合，加入600mL95％乙醇，调节pH值为4，用超声波分散2h，然后加入三口烧瓶中在60℃恒温反应6h。之后加入40mL水合肼及40mL氨水，在60℃进行还原，反应4h后，抽滤，用去离子水洗涤，真空干燥12h，得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯。
（2）烯丙基硅氧烷接枝的石墨烯与甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷按照1：150质量比例加入三口烧瓶中，加入3％Pt/C催化剂，在氮气保护条件下于50℃下反应8小时，之后抽滤，用乙醇洗涤，即得超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯。
实施实例6：
（1）将氧化石墨和烯丙基三乙氧基硅烷按质量比1：5混合，加入700mL95％乙醇，调节pH值为4，用超声波分散2h，然后加入三口烧瓶中在50℃恒温反应5h。之后加入40mL水合肼及40mL氨水，在60℃进行还原，反应6h后，抽滤，用去离子水洗涤，真空干燥12h，得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯。
（2）烯丙基硅氧烷接枝的石墨烯与甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷按照1：200质量比例加入三口烧瓶中，加入4％Pt/C催化剂，在氮气保护条件下于60℃下反应5小时，之后抽滤，用乙醇洗涤，即得超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯。
Claims (1)
1.一种硅氢加成法改性石墨烯的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将氧化石墨和烯丙基三乙氧基硅烷按质量比1:1～10混合,加入100～1000mL95%乙醇，调节pH值为3～6，用超声波分散1～4h,然后在40℃～80℃反应2～6h；之后加入10～80mL水合肼及20～80mL氨水，在50℃～100℃进行还原，反应2～6h后，抽滤,洗涤，真空干燥12h,得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯；
步骤2：烯丙基硅烷接枝的石墨烯与甲基双（二甲基乙烯基硅氧基）硅烷按照1:1～500质量比例混合，加入0.1～4%Pt/C催化剂，在氮气保护条件下于30℃～80℃下反应1～10小时后，抽滤，用乙醇洗涤，即得硅氢加成法改性石墨烯。
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