CN103910492A

CN103910492A - 一种石墨烯材料复合玻璃及其制备方法和应用

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Publication number: CN103910492A
Application number: CN201410139886.8A
Authority: CN
Inventors: 詹红兵; 郑小青; 冯苗
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2034-04-09
Also published as: CN103910492B

Abstract

本发明公开了一种石墨烯材料复合玻璃及其制备方法和应用，采用常温溶胶-凝胶法将石墨烯材料引入固相基质，解决了石墨烯材料悬浮液的团聚问题。这里的石墨烯材料包含了不同维度和结构的石墨烯，如二维的氧化和还原的石墨烯纳米片，一维的氧化和还原的石墨烯纳米带，零维的石墨烯量子点等。玻璃基质指经过不同有机硅烷改性的硅酸盐玻璃。这种石墨烯复合玻璃具有良好的透光性、力学性能和热学稳定性，同时具有优于石墨烯悬浮液的光限幅效应，有望实现在激光防护领域的应用。

Description

一种石墨烯材料复合玻璃及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯材料复合玻璃及其制备方法和应用。

背景技术

2004年英国曼彻斯特大学的物理学家Geim和Novoselov用透明胶带法成功制备了单层结构的石墨，即石墨烯，证明了二维晶体能够稳定的存在。石墨烯因其独特的电子结构而具有特殊的电学、力学、热学和光学性能。石墨烯作为构建其它维度碳基纳米材料的基本单元，和富勒烯、碳纳米管一样具有良好的光限幅性能，在激光防护领域具有潜在应用。理想的石墨烯结构为sp²杂化的碳六元环结构，这种结构是疏水性的，在水溶液中的分散性很差，这极大地限制了石墨烯复合材料的制备。Hummers、Tour等人先后采用化学氧化法制得了氧化型石墨烯，氧化石墨烯的表面和侧面带有大量的含氧基团，如羟基、羧基、环氧基等，这些含氧基团使石墨烯在水中或有机溶剂中具有良好的分散性。此外，更低维度的石墨烯材料也陆续被制备出来。Tour、Dai等人采用裂解碳纳米管法制备了氧化石墨烯纳米带，Pan、Wu等人采用水热法制备了石墨烯量子点。报道显示，这些不同维度的石墨烯材料的悬浮液对各种脉冲激光均具有宽带的光限幅效应，且限幅阈值低（Nature Photonics, 2011, 5, 554；J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3(6): 785；Applied Physics Letters, 2010, 96, 33103）。低维石墨烯材料因边缘效应和量子尺寸效应具有更优异的光电性能。

石墨烯是纳米材料，而纳米材料在水溶液或有机溶剂中易发生团聚，这将影响其性能和应用。目前针对纳米材料的固相化主要有两种途径：（1）将纳米材料作为功能修饰材料引入到固态基质中，如玻璃基质、高分子基质等；（2）将纳米材料制成自支撑薄膜。前者是较为容易实现的固相化手段。虽然高分子基质种类繁多，制备周期短，但是很多高分子基质本身带有一定的颜色，会降低材料的透光率，而且高分子基质的厚度有限，机械性能和热稳定性都较差。而玻璃基质无色透明、具有良好的热稳定性和强度，有利于复合材料在光学方面的应用。其中溶胶-凝胶法的制备工艺简单、绿色无污染、成本低廉，是制备有机-无机杂化材料的良好方法，因此成为纳米材料固相化的首选方案。

传统的硅酸盐玻璃脆性大，在干燥过程中容易开裂，为了改善玻璃基质的脆性，提高机械加工性能，可以在前驱体中加入有机改性剂。根据与玻璃网络结构的相互作用的不同，有机改性剂可以分为两种，一种是有机硅烷改性剂，可以参与水解缩聚反应，与玻璃网络结构以共价键连接；另一种在溶胶凝胶过程中以单体形式填充到玻璃微孔中，然后产生聚合反应，与玻璃网络结构以分子键、氢键等弱键连接，如聚甲基丙烯酸甲酯。有机硅烷改性剂较为常用，主要有γ-缩水甘油醚基丙基三甲基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷等等。

将石墨烯材料引入有机硅烷改性的玻璃基质中，实现石墨烯材料的固相化，这有利于实现石墨烯材料在光限幅领域的实际应用。但是目前这方面的报道还比较少，中国专利文献CN 101259988A公开了一种具有光限幅特性的碳纳米管/玻璃复合材料的制备方法，该法是先制备碳纳米管和SiO₂复合粉体，然后复合粉体经过高温烧结（1250 ℃，30 MPa），最后得到碳纳米管/玻璃复合材料。这种制备方法经过高温烧结，有可能破坏碳材料结构，而且工艺和成本都较高，亟需进一步改进。

发明内容

本发明在现有技术的基础上，提供一种操作简单、成本低廉的制备方法，解决石墨烯材料在液相中的团聚问题。制得的石墨烯材料复合玻璃，是种块体材料，实现了石墨烯材料的固相化，促进石墨烯材料在光限幅领域的实际应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

以石墨烯材料为功能修饰材料，以玻璃为基质，以有机硅烷为改性剂，采用溶胶-凝胶法制备石墨烯材料复合凝胶玻璃。所述的石墨烯材料为不同维度的氧化型和还原型石墨烯材料，所述的玻璃基质为硅酸盐玻璃，是由硅醇盐水解缩聚得到的，所述的有机硅烷改性剂为γ-缩水甘油醚基丙基三甲基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷等。具体操作步骤如下：

（1）石墨烯材料的制备

以石墨粉为原料，采用Tour法制备二维的氧化石墨烯纳米片；以多壁碳纳米管为原料，采用纵向裂解法制备一维的氧化石墨烯纳米带；采用氨肼还原法制备还原型的石墨烯纳米片和石墨烯纳米带；以石墨烯纳米片为原料，采用水热法制备石墨烯量子点。

（2）石墨烯材料复合玻璃的制备

将硅醇盐、有机硅烷改性剂、共溶剂和水混合形成反应液，将石墨烯材料加入到二甲基甲酰胺（DMF）中，这里的DMF也作干燥控制剂，超声分散均匀后加入到反应液中。混合液在磁力搅拌器上进行搅拌一段时间后，缓慢滴加催化剂，为减少玻璃中的孔结构，一般采用酸为催化剂，如盐酸、硼酸、醋酸等，调节pH，然后持续搅拌，使混合液充分水解缩聚。待到混合液形成具有一定黏度的凝胶时，将其倒至指定的培养皿中，室温陈化、干燥一个月后即形成石墨烯材料的复合玻璃。为控制石墨烯材料复合玻璃在可见光区的线性透过率在60%以上，每摩尔SiO₂中掺杂的石墨烯材料不超过24 mg。

本发明的显著优点在于：本发明所制备的石墨烯材料复合玻璃具有良好的透光性、力学性能和热稳定性，对不同脉冲、不同波段的高能量激光具有很好的限幅作用，所述的不同脉冲激光，如纳秒、皮秒和飞秒激光；所述的不同波段激光，如532 nm、800 nm和1064 nm等。石墨烯材料复合玻璃宽波段、低阈值的光限幅特性有望实现在激光防护领域的应用。

附图说明

图1 实施例1、2和3中不同维度的石墨烯材料的示意图：一维的氧化石墨烯纳米片（GONSs）、二维的氧化石墨烯纳米带（GONRs）、零维的石墨烯量子点（GQDs）。

图2实施例1、2和3中制备石墨烯复合玻璃的流程图。

图3 石墨烯材料的TEM照片：（a）实施例1制备的GONSs，（b）实施例2制备的GONRs和（c）实施例3制备的GQDs。

图4实施例1、2和3中制备的样品的UV-vis透过率光谱。

图5 实施例1、2和3中制备的复合玻璃的光限幅曲线。

具体实施方式

实施例1

掺杂浓度为24 mg/mol的氧化石墨烯纳米片复合玻璃（GONS-glass）的制备。

氧化石墨烯纳米片（GONSs）的制备是以石墨粉为原料，采用Tour法进行制备。具体制备流程可分为三个阶段。低温阶段：在36 mL浓H₂SO₄和4 mL H₃PO₄中加入300 mg石墨粉，磁力搅拌1 h；缓慢加入1800 mg KMnO₄继续搅拌2 h。中温阶段：将反应物移至38 ℃油浴锅中，持续搅拌1 h，然后缓慢滴加15 mL超纯水。高温阶段：将温度调至95 ℃，继续搅拌0.5 h，反应结束后将反应物加入到40 mL超纯水中进行稀释。

待混合液冷却至室温后缓慢滴加3 mL 30%的H₂O₂，静置数小时后，用孔径220μm的混合纤维滤膜对其进行真空抽滤。然后用40 mL HCl洗涤，再用超纯水洗去SO₄ ^2-离子，洗至中性。将所得固体重新分散于超纯水中，超声分散均匀后，低速离心（3000 r）20 min得到的悬浮液即为GONSs悬浮液，将此悬浮液进行冷冻干燥后即可得到GONSs粉末。

溶胶-凝胶法制备GONS-glass，以正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体、甲基三乙氧基硅烷（MTES）为有机改性剂、C₂H₅OH为共溶剂、HCl为催化剂，以二甲基甲酰胺（DMF）为干燥控制剂和石墨烯材料的溶剂。原料摩尔配比为TEOS：MTES：C₂H₅OH：H₂O=0.7：0.3：4：4。所以制备0.05 mol SiO₂玻璃，需要1.2 mg GONSs，其它原料的用量计算如下：

分别量取上述计量的TEOS、MTES、C₂H₅OH和H₂O混合形成反应液，称取1.2 mg GONSs加入到DMF中，超声分散均匀后加入到反应液中。混合液在磁力搅拌器上搅拌30 min后，缓慢滴加HCl，调节pH=2~3，然后持续搅拌，使混合液充分水解缩聚。搅拌约一周后，溶胶具有一定黏度，量取10 mL溶胶倒入直径50 mm的塑料培养皿，加盖密封，室温下陈化、干燥一个月后即形成GONS-glass。

实施例2

掺杂浓度为24 mg/mol的氧化石墨烯纳米带复合玻璃（GONR-glass）的制备。

氧化石墨烯纳米带（GONRs）的制备是以多壁碳纳米管为原料，采用KMnO₄和混合酸纵向裂解法进行制备，浓H₂SO₄：H₃PO₄=9:1（质量比），具体制备流程如下：

（1）在36 mL浓H₂SO₄中加入150 mg 多壁碳纳米管，磁力搅拌1 h后加入4 mL H₃PO₄，继续搅拌15 min，然后加入750 mg KMnO₄，将反应物移至65 ℃油浴锅中搅拌2 h，待反应结束冷却至室温后，加入100 mL冰水（含5 mL H₂O₂），静置14 h；

（2）混合液用孔径220μm的混合纤维滤膜抽滤，用20%的HCl、30%的HCl、无水乙醇、无水乙醚先后进行洗涤；

（3）所得固体分散于超纯水中，低速离心（3000 r）20 min，所得上层液即为GONRs悬浮液，将此悬浮液进行冷冻干燥即可得到GONRs粉末。

溶胶-凝胶法制备GONR-glass，以正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体、甲基三乙氧基硅烷（MTES）为有机改性剂、C₂H₅OH为共溶剂、HCl为催化剂，以二甲基甲酰胺（DMF）为干燥控制剂和石墨烯材料的溶剂。原料摩尔配比为TEOS：MTES：C₂H₅OH：H₂O=0.7：0.3：4：4。所以制备0.05 mol SiO₂玻璃，需要1.2 mg GONRs，其它原料的用量计算同实施例1。

分别量取上述计量的TEOS、MTES、C₂H₅OH和H₂O混合形成反应液，称取1.2 mg GONRs加入到DMF中，超声分散均匀后加入到反应液中。混合液在磁力搅拌器上搅拌30 min后，缓慢滴加HCl，调节pH=2~3，然后持续搅拌，使混合液充分水解缩聚。搅拌约一周后，溶胶具有一定黏度，量取10 mL溶胶倒入直径50 mm的塑料培养皿，加盖密封，室温下陈化、干燥一个月后即形成GONR-glass。

实施例3

掺杂浓度为12 mg/mol的石墨烯量子点复合玻璃（GQD-glass）的制备。

石墨烯量子点（GQDs）的制备是以石墨烯纳米片为原料，采用水热法进行制备，具体制备流程如下：

（1）GONSs的还原处理：将GONSs装于坩埚中放入管式炉，在N₂保护气氛中，加热到300℃（升温速度为5℃/min），保温2 h；

（2）取75 mg 还原的GONSs，加入15 mL浓H₂SO₄和45 mL HNO₃，温和超声约20 h（500 W，40 kHz）；

（3）产物缓慢加入到100 mL超纯水中，混合均匀后，用孔径220μm的混合纤维滤膜抽滤。所得固体重新分散于60 mL超纯水中，用NaOH溶液调节悬浮液酸碱性，使其pH=8，将反应物移至聚四氟乙烯水热釜，加热至200 ℃保温10 h；

（4）反应物冷却至室温后，使用同样的滤膜进行抽滤，将滤液用透析袋（截留分子量：3500 Da）进行透析，将透析后的溶液冷冻干燥，即得到GQDs的粉末。

溶胶-凝胶法制备GQD-glass，以正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体、甲基三乙氧基硅烷（MTES）为有机改性剂、C₂H₅OH为共溶剂、HCl为催化剂，以二甲基甲酰胺（DMF）为干燥控制剂和石墨烯材料的溶剂。原料摩尔配比为TEOS：MTES：C₂H₅OH：H₂O=0.7：0.3：4：4。所以制备0.05 mol SiO₂玻璃，需要0.6 mg GQDs，其它原料的用量计算同实施例1。

分别量取上述计量的TEOS、MTES、C₂H₅OH和H₂O混合形成反应液，称取0.6 mg GQDs加入到DMF中，超声分散均匀后加入到反应液中。混合液在磁力搅拌器上搅拌30 min后，缓慢滴加HCl，调节pH=2~3，然后持续搅拌，使混合液充分水解缩聚。搅拌约一周后，溶胶具有一定黏度，量取8 mL溶胶倒入直径50 mm的塑料培养皿，加盖密封，室温下陈化、干燥一个月后即形成GQD-glass。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种石墨烯材料复合玻璃，其特征在于：所述的石墨烯材料复合玻璃是由不同维度的石墨烯材料和凝胶玻璃基质组成的块状材料；所述的石墨烯材料为二维的石墨烯纳米片和氧化石墨烯纳米片、一维的石墨烯纳米带和氧化石墨烯纳米带、或零维的石墨烯量子点，每摩尔SiO₂中掺杂的石墨烯材料不超过24 mg；所述的凝胶玻璃基质为有机硅烷改性的硅酸盐玻璃。

2.根据权利要求1所述的石墨烯材料复合玻璃，其特征在于：所述的二维的石墨烯纳米片和氧化石墨烯纳米片的边长大于1 μm。

3.根据权利要求1所述的石墨烯材料复合玻璃，其特征在于：所述的一维的石墨烯纳米带和氧化石墨烯纳米带的宽度小于300 nm，长度大于2 μm。

4.根据权利要求1所述的石墨烯材料复合玻璃，其特征在于：所述的零维的石墨烯量子点的直径小于20 nm。

5.根据权利要求1所述的石墨烯材料复合玻璃，其特征在于：所述的有机硅烷为带有甲基、乙烯基、环氧基或巯基的有机硅烷。

6.根据权利要求5所述的石墨烯材料复合玻璃，其特征在于：所述的有机硅烷为γ-缩水甘油醚基丙基三甲基硅烷、甲基三乙氧基硅烷或氨丙基三乙氧基硅烷。

7.一种制备如权利要求1所述的石墨烯材料复合玻璃的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）石墨烯材料的制备：采用化学氧化法制备不同维度的氧化型石墨烯材料，对氧化型石墨烯材料采用氨肼还原得到还原型石墨烯材料；

（2）复合玻璃的制备：采用溶胶-凝胶法，以硅醇盐为前驱体、有机硅烷为改性剂、酸催化，将石墨烯材料分散于共溶剂中制成悬浮液，然后加入到溶胶中，在前驱体的水解缩聚过程中形成石墨烯材料复合凝胶，再通过室温陈化、干燥得到石墨烯复合玻璃。

8.一种如权利要求1所述的石墨烯材料复合玻璃的应用，其特征在于：所述的石墨烯材料复合玻璃用于制备激光防护材料。