CN105967171A - 一种通过研磨制备有机石墨烯的方法及有机石墨烯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过研磨制备有机石墨烯的方法及有机石墨烯，通过将复合插层剂即有机活性剂与可溶盐的组合物与鳞片石墨在水中均匀混合对鳞片石墨进行插层，然后蒸干，使有机活性剂中的离子基团由于静电力作用与π键之间形成相互键接，从而使离子基团接枝在石墨层表面，可溶盐以晶体的形式插在石墨的层间，提高剥离石墨烯效率，然后通过行星式球磨机研磨、清洗得到经过离子基团接枝的一种有机石墨烯材料。制备的有机石墨烯材料分散性高，从而克服现有技术中石墨烯的剥离效率低下以及解决分散性差的技术问题，实现同时提高石墨烯的剥离效率及提高石墨烯分散性的技术效果，并且生产过程环境污染少，产量高，具有显著的市场应用价值。

Description

一种通过研磨制备有机石墨烯的方法及有机石墨烯
技术领域
本发明涉及一种石墨烯的制备方法，具体涉及一种通过研磨制备石墨烯的方法及石墨烯。
背景技术
2004年石墨烯材料被成功制备，自此引发了新一波碳素材料研究的热潮。石墨烯是由一层碳原子组成的平面碳纳米材料，是目前已知最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，它由六方的晶格组成。石墨烯中的碳原子之间由σ键连接，赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。而且，在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。在光学方面，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。石墨烯具有奇特的力学、光学和电学性质，石墨烯拥有十分广阔的发展前景。
目前石墨烯的制备方法有机械剥离法、外延生长法、氧化还原法、有机合成法、溶剂热法、化学气相沉积法等。在这些方法中，由于机械剥离法制备方法简单，制备过程环保无污染，生产成本较为低廉，在工业生产中备受青睐。为了获得理想的石墨烯产品，通常在机械剥离石墨前对石墨进行预处理以附加制备出石墨烯的性能，如提高石墨烯的导电性等。通过先插层石墨后机械剥离获得石墨烯的方法处理过程简单，能够有效保护了石墨烯结构的完整性，提高石墨烯产品的质量，是石墨烯大规模工业化生产的选择方案之一。
中国发明专利申请号201110447129. 3公开了一种石墨烯的制备方法，通过将金属锂及石墨放入电解质锂盐溶解于有机溶剂形成的电解质溶液中，使电解质溶液中的锂离子与有机溶剂分子共同插入所述石墨层间，以形成石墨插层化合物，接着从该石墨插层化合物中剥离出石墨烯片。该发明方案中需要加入化学活性很活泼的金属锂作为插层剂，其贮存和使用条件较为苛刻，制备过程难以控制，无法适用于工业化生产。
中国发明专利申请号201210308054.5公开了一种石墨烯的制备方法，将石墨分散在离子液体中，形成石墨与离子液体混合物，将该混合物置于球磨容器中，进行球磨得到浆料，接着分离球磨球和石墨烯，获得石墨烯。该方案直接对石墨与离子液体混合物进行球磨，利用球磨的机械力处理混合浆料制备石墨烯，剥离效率较低。
中国发明专利申请号201210593496. 9公开了一种高效制备石墨烯的方法，将膨胀石墨与可溶性无机盐和／或可溶性有机物水溶液中加热， 再将其置于干燥箱中至水分全部挥发，然后将得到的膨胀石墨与无机盐和 / 或有机物的混合物放入球磨罐中球磨，获得石墨烯。但是，石墨烯自身容易发生团聚，需要选择合适的保存介质或者对石墨烯进行后处理提高石墨烯的分散性，制备获得石墨烯分散性有待提高。
根据上述，上述方案中通过对石墨进行预处理而后进行机械剥离制备石墨烯的技术方案中，尽管对石墨材料进行预处理过程都涉及到对石墨进行插层处理，但使用的插层方式未能有效提高机械剥离效率，产量低，不适合大规模工业化生产，进一步，机械剥离获得的石墨烯材料分散性较差，需要对石墨烯进行后处理来提高其在保存介质中的分散性，进而导致处理过程复杂，生产周期及成本增加等问题。
发明内容
针对目前石墨烯分散储存不稳定的缺陷，本发明提出一种通过研磨制备有机石墨烯的方法及有机石墨烯，将复合插层剂与鳞片石墨混均进行插层，然后蒸干，有机活性剂中的离子基团由于静电力作用与π键之间形成相互键接，从而使离子基团接枝在石墨层表面，可溶性无机盐在鳞片石墨层间发生结晶，撑开石墨层间距，提高了石墨烯剥离效率。然后通过球磨机研磨、清洗得到经过离子基团接枝的有机石墨烯材料。进一步，将提高石墨烯的剥离效率以及解决石墨烯分散性差的问题同时解决，推动了石墨烯的量产化生产。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一方面提供一种通过研磨制备有机石墨烯的方法，其特征在于，采用复合插层剂插层接枝，通过球磨机提供机械剪切力制备有机石墨烯，具体方法如下：
（1）将鳞片石墨与复合插层剂按质量比为1:（5-20）取出备用，其中，所述复合插层剂为有机活性剂、极性蜡、可溶性无机盐按照质量比1：2：（2-5）的比例混合而成的组合物，所述的有机活性剂为烷基三甲基铵盐型、烷基二甲基铵盐型、含氮的咪唑啉、吗啉类、三嗪类衍生物中的一种或几种混合物，所述的极性蜡为氧化聚乙烯蜡、氧化聚丙烯蜡、EVA蜡中的一种或几种混合物，所述的可溶性无机盐为可溶性盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、铬酸盐、磺酸盐、磷酸盐中的一种或几种混合物；
（2）将所述复合插层剂加入到蒸馏水中加热混合均匀至可溶性无机盐完全溶解得到混合溶液，对所述混合溶液进行超声处理，设置超声功率为100-500KW，使所述复合插层剂充分渗入所述鳞片石墨层间，然后置于干燥箱中干燥2-10h至水分全部挥发，得到复合插层剂插层的鳞片石墨；
（3）再将复合插层剂插层的鳞片石墨放入球磨机中搅拌球磨5-20小时；
（4）将步骤（3）得到的球磨产物用蒸馏水常温洗涤3-5次，抽滤，烘干，得到表面接枝离子基团的有机石墨烯。
优选地，所述的蒸馏水与鳞片石墨的质量之比为（5-20）:1。
优选地，步骤（2）中将所述复合插层剂加入到蒸馏水中加热温度为40-80℃。
优选地，步骤（2）中超声时间为2-24h。
优选地，所述球磨机为行星式球磨机，球磨罐的材质为聚四氟乙烯、不锈钢或陶瓷，所使用的球磨介质的材质为氧化锆球、陶瓷、钢珠、玻璃或玛瑙球。
另一方面，提供一种有机石墨烯，所述有机石墨烯通过研磨制备有机石墨烯的方法制备，所述有机石墨烯表面接枝了离子基团。
将本发明所制有机备石墨烯性能与普通球磨法制备的石墨烯相比，测试如表1所示。
表1：
本发明一种通过研磨制备有机石墨烯的方法及有机石墨烯，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、 本发明制备的石墨烯为表面经过离子基团接枝的石墨烯，利用了离子活性剂与石墨烯的电子空间重叠度较高，形成的键能，溶解于水中的键能，使得离子基团能够稳定在石墨烯表面，防止了石墨烯的团聚，增加了石墨烯的分散性。
2、 本发明制备石墨烯的方法，由于将石墨利用复合插层剂处理，后续采用球磨技术工艺，剥离效率高，连续制备产量大，制备周期较短，提高了石墨烯的生产效率，可以适用于规模化工业生产。
3、 本发明所涉及到石墨烯的制备工艺克服了氧化石墨还原法等化学制备方法对石墨烯片层结构的破坏， 可以制得导电性较好的石墨烯。
4、 本发明所选用的可溶性无机盐，成本低廉，来源广泛，可以回收再利用，对环境污染较小，制备工艺具有环境友好性。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例 1
（1）将鳞片石墨与复合插层剂按质量比为1:5取出备用，其中，复合插层剂为烷基三甲基氯化铵、氧化聚乙烯蜡、可溶性无机盐氯化钾按照质量比1：2：2的比例混合而成的组合物;
（2）将配制的复合插层剂加入到蒸馏水中加热温度为40℃，混合均匀至可溶性无机盐氯化钾完全溶解得到混合溶液，蒸馏水用量为与鳞片石墨的质量之比为5:1，接着对所述混合溶液进行超声处理，设置超声功率为100KW，超声24h，使复合插层剂充分渗入鳞片石墨层间，然后置于干燥箱中干燥2h至水分全部挥发，有机活性剂中的离子基团由于静电力作用与π键之间形成相互键接，从而使离子基团接枝在石墨层表面，同时，可溶性无机盐氯化钾在鳞片石墨层间发生结晶，撑开石墨层间距，得到可溶性无机盐氯化钾与离子基团插层的鳞片石墨；
（3）再将插层处理后的鳞片石墨放入行星式球磨罐中搅拌球磨5小时，行星式球磨罐的材质为聚四氟乙烯，球磨介质的材质为氧化锆球；
（4）将步骤（3）得到的球磨产物用蒸馏水常温洗涤3次，抽滤，烘干，得到表面接枝离子基团的有机石墨烯材料。
对实施例1中制备获得的石墨烯进行性能测试后，获得数据如表2所示。
实施例 2
（1）将鳞片石墨与复合插层剂按质量比为1:5取出备用，其中，复合插层剂为烷基三甲基氯化铵、氧化聚丙烯蜡、可溶性无机盐硫酸钠按照质量比1:2:2的比例混合而成的组合物；
（2）将配制的复合插层剂加入到蒸馏水中加热温度为40℃，混合均匀至可溶性无机盐硫酸钠完全溶解得到混合溶液，蒸馏水用量为与鳞片石墨的质量之比为5:1，接着对所述混合溶液进行超声处理，设置超声功率为100KW，超声24h，使复合插层剂充分渗入鳞片石墨层间，然后置于干燥箱中干燥2h至水分全部挥发，有机活性剂中的离子基团由于静电力作用与π键之间形成相互键接，从而使离子基团接枝在石墨层表面，同时，可溶性无机盐硫酸钠在鳞片石墨层间发生结晶，撑开石墨层间距，得到可溶性无机盐与离子基团插层的鳞片石墨；
（3）再将插层处理后的鳞片石墨放入行星式球磨罐中搅拌球磨5小时,行星式球磨罐的材质为聚四氟乙烯,.球磨介质的材质为氧化锆球；
（4）将步骤（3）得到的球磨产物用蒸馏水常温洗涤3次，抽滤，烘干，得到表面接枝离子基团的有机石墨烯材料。
对实施例2中制备获得的石墨烯进行性能测试后，获得数据如表2所示。
实施例 3
（1）将鳞片石墨与复合插层剂按质量比为1:5取出备用，其中，复合插层剂为咪唑啉、EVA蜡、可溶性无机盐硝酸钠按照质量比1:2：2的比例混合而成的组合物;
（2）将配制的复合插层剂加入到蒸馏水中加热温度为50℃，混合均匀至可溶性无机盐硝酸钠完全溶解得到混合溶液，蒸馏水用量为与鳞片石墨的质量之比为5:1，接着对所述混合溶液进行超声处理，设置超声功率为100KW，超声24h，使复合插层剂充分渗入鳞片石墨层间，然后置于干燥箱中干燥2h至水分全部挥发，有机活性剂中的离子基团由于静电力作用与π键之间形成相互键接，从而使离子基团接枝在石墨层表面，同时，硝酸钠在鳞片石墨层间发生结晶，撑开石墨层间距，得到硝酸钠与离子基团插层的鳞片石墨；
（3）再将插层处理后的鳞片石墨放入行星式球磨罐中搅拌球磨5小时,行星式球磨罐的材质为聚四氟乙烯,.球磨介质的材质为氧化锆球；
（4）将步骤（3）得到的球磨产物用蒸馏水常温洗涤3次，抽滤，烘干，得到表面接枝离子基团的有机石墨烯材料。
对实施例3中制备获得的石墨烯进行性能测试后，获得数据如表2所示。
实施例 4
（1）将鳞片石墨与复合插层剂按质量比为1:15取出备用，其中，复合插层剂为三嗪类衍生物、氧化聚丙烯蜡、可溶性无机盐硝酸钠按照质量比1:2：3的比例混合而成的组合物;
（2）将配制的复合插层剂加入到蒸馏水中加热温度为80℃，混合均匀至可溶性无机盐硝酸钠完全溶解得到混合溶液，蒸馏水用量为与鳞片石墨的质量之比为15:1，接着对所述混合溶液进行超声处理，设置超声功率为500KW，超声14h，使复合插层剂充分渗入鳞片石墨层间，然后置于干燥箱中干燥6h至水分全部挥发，有机活性剂中的离子基团由于静电力作用与π键之间形成相互键接，从而使离子基团接枝在石墨层表面，同时，可溶性无机盐硝酸钠在鳞片石墨层间发生结晶，撑开石墨层间距，得到可溶性无机盐与离子基团插层的鳞片石墨；
（3）再将插层处理后的鳞片石墨放入行星式球磨罐中搅拌球磨10小时,行星式球磨罐的材质为聚四氟乙烯,.球磨介质的材质为氧化锆球；
（4）将步骤（3）得到的球磨产物用蒸馏水常温洗涤5次，抽滤，烘干，得到表面接枝离子基团的有机石墨烯材料。
对实施例4中制备获得的石墨烯进行性能测试后，获得数据如表2所示。
实施例 5
（1）将鳞片石墨与复合插层剂按质量比为1:20取出备用，其中，复合插层剂为咪唑啉、氧化聚乙烯蜡、可溶性无机盐硝酸钠按照质量比1:2：5的比例混合而成的组合物;
（2）将配制的复合插层剂加入到蒸馏水中加热温度为80℃，混合均匀至可溶性无机盐硝酸钠完全溶解得到混合溶液，蒸馏水用量为与鳞片石墨的质量之比为20:1，接着对所述混合溶液进行超声处理，设置超声功率为500KW，超声24h，使复合插层剂充分渗入鳞片石墨层间，然后置于干燥箱中干燥10h至水分全部挥发，有机活性剂中的离子基团由于静电力作用与π键之间形成相互键接，从而使离子基团接枝在石墨层表面，同时，可溶性无机盐硝酸钠在鳞片石墨层间发生结晶，撑开石墨层间距，得到可溶性无机盐硝酸钠与离子基团插层的鳞片石墨；
（3）再将插层处理后的鳞片石墨放入行星式球磨罐中搅拌球磨20小时,行星式球磨罐的材质为不锈钢，球磨介质的材质为钢珠；
（4）将步骤（3）得到的球磨产物用蒸馏水常温洗涤5次，抽滤，烘干，得到表面接枝离子基团的有机石墨烯材料。
对实施例5中制备获得的石墨烯进行性能测试后，获得数据如表2所示。
表2
性能指标 90%石墨烯片径向大小 90%石墨烯厚度 体积电阻率（Ω•m） 剥离效率
实施例一 5-6μm 0.3-2.0nm 1013 55.1%
实施例二 5-7μm 0.7-2.3nm 1013 59.4%
实施例三 6-7μm 1.3-2.0nm 1013 60.8%
实施例四 7-10μm 3.3-4.2nm 1013 69.1%
实施例五 8-10μm 3.3-5.0nm 1013 68.3%

Claims (6)

1.一种通过研磨制备有机石墨烯的方法，其特征在于，采用复合插层剂插层接枝，通过球磨机提供机械剪切力制备有机石墨烯，具体方法如下：
（1）将鳞片石墨与复合插层剂按质量比为1:（5-20）取出备用，其中，所述复合插层剂为有机活性剂、极性蜡、可溶性无机盐按照质量比1：2：（2-5）的比例混合而成的组合物，所述的有机活性剂为烷基三甲基铵盐型、烷基二甲基铵盐型、含氮的咪唑啉、吗啉类、三嗪类衍生物中的一种或几种混合物，所述的极性蜡为氧化聚乙烯蜡、氧化聚丙烯蜡、EVA蜡中的一种或几种混合物，所述的可溶性无机盐为可溶性盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、铬酸盐、磺酸盐、磷酸盐中的一种或几种混合物；
（2）将所述复合插层剂加入到蒸馏水中加热混合均匀至可溶性无机盐完全溶解得到混合溶液，对所述混合溶液进行超声处理，设置超声功率为100-500KW，使所述复合插层剂充分渗入所述鳞片石墨层间，然后置于干燥箱中干燥2-10h至水分全部挥发，得到复合插层剂插层的鳞片石墨；
（3）再将复合插层剂插层的鳞片石墨放入球磨机中搅拌球磨5-20小时；
（4）将步骤（3）得到的球磨产物用蒸馏水常温洗涤3-5次，抽滤，烘干，得到表面接枝离子基团的有机石墨烯。
2. 根据权利要求1所述的一种通过研磨制备有机石墨烯的方法，其特征在于：所述的蒸馏水与鳞片石墨的质量之比为（5-20）:1。
3. 根据权利要求1所述的一种通过行研磨制备有机石墨烯的方法，其特征在于：步骤（2）中将所述复合插层剂加入到蒸馏水中加热温度为40-80℃。
4. 根据权利要求1 所述的一种通过研磨制备有机石墨烯的方法，其特征在于：步骤（2）中超声时间为2-24h。
5. 根据权利要求1 所述的一种通过研磨制备有机石墨烯的方法，其特征在于：所述球磨机为行星式球磨机，球磨机罐的材质为聚四氟乙烯、不锈钢或陶瓷，所使用的球磨介质的材质为氧化锆球、陶瓷、钢珠、玻璃或玛瑙球。
6. 一种有机石墨烯，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述的通过研磨制备有机石墨烯的方法制备得到的有机石墨烯，所述有机石墨烯表面接枝了离子基团。
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