CN103588197A - 一种石墨烯纳米流体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯纳米流体的制备方法，其特征在于：首先将石墨氧化，然后将氧化石墨超声分散于分散介质中得到氧化石墨烯溶液，最后对氧化石墨烯溶液进行高速搅拌，原位机械还原氧化石墨烯形成石墨烯纳米流体。不同于目前常用的石墨烯纳米流体制备方法，本制备方法未加表面活性剂且未进行功能化处理石墨烯。所制备的石墨烯分散良好，所获得的纳米流体稳定性好；制备过程中不需要加还原剂，对环境无污染；使用机械法进行制备，对设备要求低；该制备方法流程简单，影响因素少，反应过程易控制，重现性好，可规模化生产，其制备技术极易推广应用。

Description

一种石墨烯纳米流体的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米流体的制备方法，具体涉及一种以石墨为原料，利用氧化－分散－高速搅拌制备石墨烯纳米流体的方法。
背景技术
1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等人提出了一崭新的概念–纳米流体，即把纳米粉末分散到导电系数低的分散介质（如水、醇或油）中形成悬浮液，从而提高分散介质的导热性能。纳米流体作为一种新型传热工质可广泛应用于车辆、航空航天、电子等领域，满足大功率发动机、绝热发动机、空调装置、超级计算机等设备的高负荷传热及冷却要求。目前用于纳米流体的填充物有Ag、Cu、CuO、Al2O3、碳纳米管等纳米颗粒。虽然纳米颗粒很小，颗粒的布朗运动等因素使粒子难以沉淀，但在纳米颗粒的悬浮液中，由于颗粒表面的活性使它们很容易团聚在一起，形成带有若干弱连接界面的较大团聚体。如何使纳米颗粒可以均匀、稳定地分散在液体介质中，形成分散性好、稳定性高的纳米流体是极其关键的。通常采用的方法是在制备过程中使用表面活性剂，而表面活性剂的存在会对纳米流体的热物性产生影响，且一旦表面活性剂发生老化变质，纳米流体的稳定性就难以得到保证。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型成蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。它的导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管，因而是非常好的纳米流体的填充物。但目前关于石墨烯纳米流体的报道不多。由于石墨烯具有疏水性，而且常用的化学还原氧化石墨烯得到的石墨烯会发生不可逆团聚，使得石墨烯不能很好地分散于水、乙二醇等极性分散介质中。为了提高石墨烯在分散介质中的分散性，通常采用的方法是在制备纳米流体过程中加入了表面活性剂或对石墨烯进行功能化处理。但这样会引入缺陷到石墨烯中，从而降低石墨烯的导热性，并可
能因为表面活性剂的老化，影响石墨烯纳米流体的稳定性。
发明内容
为了避免表面活性剂或功能化处理石墨烯造成石墨烯导热性减弱，以及表面活性剂的老化降低石墨烯纳米流体的稳定性，本发明的目的在于提出一种不用表面活性剂及功能化处理石墨烯的石墨烯纳米流体的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种石墨烯纳米流体的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：对石墨原料进行氧化处理制备氧化石墨；
步骤二：将所述氧化石墨超声分散于分散介质中，制备浓度为0.1mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯溶液；
步骤三：将所述氧化石墨烯溶液倒入反应容器，设置搅拌速度为15000rpm～20000rpm，溶液温度控制为100～120℃，搅拌1h～4h，即得到所述石墨烯纳米流体。
步骤一中，所述石墨原料为纯度大于等于99.5％的天然鳞片石墨。
步骤一中，对所述石墨原料进行氧化处理包括如下步骤：将质量比为2:1:100～1:4:1000的石墨原料、硝酸钾和98wt.%浓硫酸的混合物冷却至0℃～5℃，边搅拌边加入与石墨的质量比为1:2～1:5的高锰酸钾，体系的温度保持在5℃～10℃，然后在30℃～50℃的油浴中搅拌20min～1h后，再在60℃～80℃的油浴中搅拌0.5h～2h，待溶液降至室温后，把溶液到入冰中，再加入与高锰酸钾的质量比为1:2～1:4的双氧水，然后离心，再用浓度为5wt.％～10wt.％的盐酸进行洗涤，离心，冷冻干燥即得到氧化石墨。
步骤二中所述分散介质为传热介质的水和乙二醇中的一种或二者的混合物。
步骤二中所述分散介质采用体积比为1:0～0:1的水和乙二醇。
步骤二中所述超声分散时间为0.5h～4h。
本发明提出的一种石墨烯纳米流体的制备方法，有益效果是：
（1）机械原位还原氧化石墨烯得到的石墨烯分散良好，获得高稳定性的纳米流体。
（2）不同于目前常用的石墨烯纳米流体制备方法，本制备方法未加表面活性剂且未进行功能化处理石墨烯。
（3）制备过程中不需要加还原剂，对环境无污染。
（4）所采用的机械法工艺流程简单，仅需要一个高速搅拌器，对设备要求低，成本低廉，反应过程易控制，影响因素少，重现性好，可规模化生产，其制备技术极易推广应用。
附图说明
图1为实施例1所制备的石墨烯纳米流体的X射线衍射图；
图2为实施例1所制备的石墨烯纳米流体的透射电子显微镜照片；
图3为实施例1中所制备的初始石墨烯纳米流体（a）和放置6个月的石墨烯纳米流体(b)的照片。
具体实施方式
实施例1
本发明一种石墨烯纳米流体的制备方法，通过如下步骤实现：
（1）氧化石墨：将10g石墨原料、10g硝酸钾和1000mL浓硫酸的混合物冷却至0℃，边搅拌边加入30g高锰酸钾，体系的温度保持在5℃，然后在35℃的油浴中搅拌0.5h后，再在70℃的油浴中搅拌2h，待溶液降至室温后，把溶液倒入冰中，再加入100mL双氧水，然后离心，再用浓度为10wt.％的盐酸进行洗涤，离心，冷冻干燥即得到氧化石墨。本步骤中所用的石墨原料为粒度为1000目、纯度为99.5％的天然鳞片石墨。
（2）氧化石墨烯溶液：将步骤（1）制备的氧化石墨加入到分散介质水中，超声分散1h，形成浓度为5mg/mL的单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。
（3）石墨烯纳米流体：将步骤（2）所得的氧化石墨烯溶液倒入反应容器，设置搅拌速度为18000rpm，溶液温度控制为110℃，搅拌3h，即得到石墨烯纳米流体。此石墨烯纳米流体稳定存在六个月以上，且其导热系数比水的导热系数提高48%。
本实施例所得的石墨烯纳米流体的X射线衍射图如图1所示，石墨烯纳米流体的透射电子显微镜照片如图2所示，初始石墨烯纳米流体（a）和放置6个月的石墨烯纳米流体(b)的照片如图3所示。
实施例2
本发明一种石墨烯纳米流体的制备方法，实施例2的步骤（1）同实施例1，步骤（2）至步骤（3）如下：
（2）氧化石墨烯溶液：将步骤（1）制备的氧化石墨加入到分散介质乙二醇中，超声分散0.5h，形成浓度为0.1mg/mL的单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。
（3）石墨烯纳米流体：将步骤（2）所得的氧化石墨烯溶液倒入反应容器，设置搅拌速度为15000rpm，溶液温度控制为110℃，搅拌4h，即得到石墨烯纳米流体。此石墨烯纳米流体稳定存在六个月以上，且其导热系数比乙二醇的导热系数提高9%。
实施例3
本发明一种石墨烯纳米流体的制备方法，实施例3的步骤（1）同实施例1，步骤（2）至步骤（3）如下：
（2）氧化石墨烯溶液：将步骤（1）制备的氧化石墨加入到分散介质中，此处分散介质采用体积比为3:2的水和乙二醇的混合物，超声分散4h，形成浓度为10mg/mL的单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。
（3）石墨烯纳米流体：将步骤（2）所得的石墨烯溶液倒入反应容器，设置搅拌速度为20000rpm，溶液温度控制为100℃，搅拌2h，即得到石墨烯纳米流体。此石墨烯纳米流体稳定存在六个月以上，且其导热系数比分散介质的导热系数提高56%。
实施例4
本发明一种石墨烯纳米流体的制备方法，实施例4的步骤（1）同实施例1，步骤（2）至步骤（3）如下：
（2）氧化石墨烯溶液：将步骤（1）制备的氧化石墨加入到分散介质中，此处分散介质采用体积比为4:1的水和乙二醇的混合物，超声分散2h，形成浓度为2mg/mL的单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。
（3）石墨烯纳米流体：将步骤（2）所得的氧化石墨烯溶液倒入反应容器，设置搅拌速度为16000rpm，溶液温度控制为120℃，搅拌1h，即得到石墨烯纳米流体。此石墨烯纳米流体稳定存在六个月以上，且其导热系数比分散介质的导热系数提高21%。
实施例5
本发明一种石墨烯纳米流体的制备方法，实施例5的步骤（1）同实施例1，步骤（2）至步骤（3）如下：
（2）氧化石墨烯溶液：将步骤（1）制备的氧化石墨加入到分散介质中，此处分散介质采用体积比为1:1的水和乙二醇的混合物，超声分散1h，形成浓度为0.5mg/mL的单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。
（3）石墨烯纳米流体：将步骤（2）所得的氧化石墨烯溶液倒入反应容器，设置搅拌速度为18000rpm，溶液温度控制为120℃，搅拌4h，即得到石墨烯纳米流体。此石墨烯纳米流体稳定存在六个月以上，且其导热系数比分散介质的导热系数提高33%。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种石墨烯纳米流体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对石墨原料进行氧化处理制备氧化石墨；
步骤二：将所述氧化石墨超声分散于分散介质中，制备浓度为0.1mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯溶液；
步骤三：将所述氧化石墨烯溶液倒入反应容器，设置搅拌速度为15000rpm～20000rpm，溶液温度控制为100～120℃，搅拌1h～4h，即得到所述石墨烯纳米流体。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米流体的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述石墨原料为纯度大于等于99.5％的天然鳞片石墨。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米的制备方法，其特征在于，步骤一中，对所述石墨原料进行氧化处理包括如下步骤：将质量比为2:1:100～1:4:1000的石墨原料、硝酸钾和98wt.%浓硫酸的混合物冷却至0℃～5℃，边搅拌边加入与石墨的质量比为1:2～1:5的高锰酸钾，体系的温度保持在5℃～10℃，然后在30℃～50℃的油浴中搅拌20min～1h后，再在60℃～80℃的油浴中搅拌0.5h～2h，待溶液降至室温后，把溶液到入冰中，再加入与高锰酸钾的质量比为1:2～1:4的双氧水，然后离心，再用浓度为5wt.％～10wt.％的盐酸进行洗涤，离心，冷冻干燥即得到氧化石墨。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米流体的制备方法，其特征在于，步骤二中所述分散介质为传热介质的水和乙二醇中的一种或二者的混合物。
5.根据权利要求4所述的一种石墨烯纳米流体的制备方法，其特征在于，步骤二中所述分散介质采用体积比为1:0～0:1的水和乙二醇。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米流体的制备方法，其特征在于，步骤二中所述超声分散时间为0.5h～4h。
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