CN106995211A - 一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石墨烯制备技术，涉及一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法。其特征在于，制备的步骤如下：按照下述方法之一制备氧化石墨烯分散液；按照下述方法之一制备有机二胺溶液；制备氨基化石墨烯。本发明提供了一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法，简化了工艺，降低了成本，减轻了环境污染，提高了石墨烯填料在树脂中的分散性以及和树脂基体间的结合力，为扩大石墨烯的应用奠定了基础。

Description

一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯制备技术，涉及一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是由一层sp2杂化的碳原子构成的蜂窝状二维晶体，是形成其他碳材料的基本单元。由于石墨烯的独特结构，也使它具备了许多特殊的性质，如优异的导热性、导电性以及机械性能等。石墨烯因其性能优良而受到广泛关注，而对其应用的研究中很重要的一方面就是将其添加到树脂基材料中，以改善树脂的各项性能。但是石墨烯具有的活性官能团很少，表面呈惰性状态，因而它与树脂间的相互作用较弱，导致填料与基体间的应力传递很难形成，直接影响了树脂基复合材料的综合性能。同时由于石墨烯片的比表面积较大，也使得石墨烯在树脂中容易发生团聚，这些都大大限制了它的应用。
改善石墨烯在树脂中的分散性，提高石墨烯和树脂间的相互作用、形成良好的界面，是制备性能优良的石墨烯/树脂基复合材料的必备条件。氨基化石墨烯是把石墨烯的前驱体——氧化石墨烯作为原料，利用表面的含氧官能团进一步氨基化而制得的产物。氨基化石墨烯相比于石墨烯，表面官能团活性大，更易与树脂基产生相互作用，通过提高界面结合力实现了石墨烯填料与基体之间的应力传递和分散，进而起到增强和增韧的效果。同时氨基化改性有效改善了石墨烯的团聚现象，使其在树脂中的分散更加均匀。另一方面，还可以通过使用不同的氨基化试剂来调控石墨烯的性质，使其更好的与各种树脂相容。
目前制备氨基化石墨烯的方法有很多，比较常见的方法是：在氧化石墨烯的有机溶剂中添加羧基活化剂(例如亚硫酰氯等)，加入有机胺类/有机二胺类物质后，使羧基和氨基生成酰胺键，从而完成氨基化改性。还有的方法是在氧化石墨烯的有机溶剂中加入二异氰酸类物质，通过进一步的还原反应生成氨基完成改性。再有的方法是通过重氮化等有机反应将含有氨基的物质接到氧化石墨烯表面。然而，这些方法在制备氨基化石墨烯的过程中大量使用有机试剂，存在工艺复杂，成本高，环境污染等问题。而且在有关于氨基化石墨烯制备方法的专利中，鲜有将氨基化石墨烯作为填料用于改善树脂基复合材料性能的相关应用。
发明内容
本发明的目的是：提供一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法，以便简化工艺，降低成本，减轻环境污染；提高石墨烯填料在树脂中的分散性以及和树脂基体间的结合力，为扩大石墨烯的应用奠定基础。
本发明的技术方案是：一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：
1、按照下述方法之一制备氧化石墨烯分散液：
1.1、称取至少1g氧化石墨烯粉体，置于烧杯中，加入蒸馏水，在超声波清洗仪中超声处理至少1h，得到氧化石墨烯的水分散液，所述氧化石墨烯粉体的质量与蒸馏水的体积的比例为1：200～1：300，氧化石墨烯粉体质量的单位为g，蒸馏水体积的单位为mL；
1.2、称取至少1g氧化石墨烯粉体，置于烧杯中，加入蒸馏水，在超声波清洗仪中超声处理至少1h，得到氧化石墨烯的水分散液，所述氧化石墨烯粉体的质量与蒸馏水的体积的比例为1：250～1：375，氧化石墨烯粉体质量的单位为g，蒸馏水体积的单位为mL；向氧化石墨烯的水分散液中加入N,N-二甲基甲酰胺，在超声波清洗仪中超声处理至少0.5h，得到氧化石墨烯在混合溶剂中的分散液，所述N,N-二甲基甲酰胺与蒸馏水的体积比为1：3～3：1；
2、按照下述方法之一制备有机二胺溶液：
2.1、当采用乙二胺时，直接量取；
2.2、当采用己二胺时，将其置于蒸馏水中，在超声波清洗仪中超声处理至少10min；己二胺物质的量与蒸馏水体积的比为0.025：100，己二胺物质的量的单位为mol，蒸馏水体积的单位为mL；
2.3、当采用其他类有机二胺时，将其至于混合溶剂中，在超声波清洗仪中超声处理至少10min；所述的混合溶剂是蒸馏水与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液，混合溶剂中蒸馏水和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1：3～3：1；所述有机二胺试剂为4,4-二氨基二苯砜、对苯二胺、4,4-二氨基二苯醚或4,4-二氨基二苯甲烷；有机二胺物质的量与混合溶剂体积的比为0.01：200～0.025：200，有机二胺物质的量的单位为mol，混合溶剂体积的单位为mL；
3、制备氨基化石墨烯：
3.1、氨基化反应：将氧化石墨烯分散液放入带有球形冷凝管的三口瓶中，然后加入有机二胺溶液，有机二胺的物质的量与氧化石墨烯粉体的质量的比例为0.005：1～0.04：1，有机二胺物质的量的单位为mol，氧化石墨烯粉体质量的单位为g；在氩气氛围下，加热回流搅拌，加热温度为70℃～100℃，搅拌时间为5h～10h；
3.2、待所得产物冷却至室温后离心分离，离心机转速为7000rpm～8000rpm，分离时间为10min～15min，结束后弃去上层清液，得到下层沉淀；
3.3、将下层沉淀浸泡在无水乙醇中并搅拌至少1min，再次离心分离，离心分离参数与1.3.2中相同；重复至少3次，得到含有少量无水乙醇的氨基化石墨烯；
3.4、将含有少量无水乙醇的氨基化石墨烯浸泡在蒸馏水中并搅拌至少1min，然后离心分离；重复至少3次，得到含有少量蒸馏水的氨基化石墨烯；
3.5、冷冻干燥：将含有少量蒸馏水的氨基化石墨烯放入蒸馏水中搅拌形成氨基化石墨烯水分散液，将氨基化石墨烯水分散液真空冷冻干燥，冷冻温度为-50℃～-15℃，真空度＜10Pa，冷冻干燥时间为3d～5d，得到黑色的氨基化石墨烯粉体。
本发明的优点是：提供了一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法，简化了工艺，降低了成本，减轻了环境污染，提高了石墨烯填料在树脂中的分散性以及和树脂基体间的结合力，为扩大石墨烯的应用奠定了基础。
附图说明
图1为实施例3中4,4-二氨基二苯甲烷氨基化石墨烯和原料氧化石墨烯的X射线衍射(XRD)图谱，横坐标为衍射角角度，纵坐标为相对强度。氨基化石墨烯与氧化石墨烯相比，衍射角角度减小，则其分子片层的层间距增大，说明在氧化石墨烯的片层上确实接枝上了4,4-二氨基二苯甲烷分子。
图2为实施例1、2、3中氨基化石墨烯与原料氧化石墨烯的红外光谱图(FTIR)，横坐标为波数，纵坐标为透过率。乙二胺氨基化石墨烯、己二胺氨基化石墨烯和4,4-二氨基二苯甲烷氨基化石墨烯与原料氧化石墨烯相比，在2900cm-1附近处出现甲基、亚甲基伸缩振动峰，1650cm-1附近处C-N伸缩振动峰，同时环氧基的峰消失，这些都说明在氧化石墨烯的片层上确实接枝上了二胺的分子链。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：
1、按照下述方法之一制备氧化石墨烯分散液：
1.1、称取至少1g氧化石墨烯粉体，置于烧杯中，加入蒸馏水，在超声波清洗仪中超声处理至少1h，得到氧化石墨烯的水分散液，所述氧化石墨烯粉体的质量与蒸馏水的体积的比例为1：200～1：300，氧化石墨烯粉体质量的单位为g，蒸馏水体积的单位为mL；
1.2、称取至少1g氧化石墨烯粉体，置于烧杯中，加入蒸馏水，在超声波清洗仪中超声处理至少1h，得到氧化石墨烯的水分散液，所述氧化石墨烯粉体的质量与蒸馏水的体积的比例为1：250～1：375，氧化石墨烯粉体质量的单位为g，蒸馏水体积的单位为mL；向氧化石墨烯的水分散液中加入N,N-二甲基甲酰胺，在超声波清洗仪中超声处理至少0.5h，得到氧化石墨烯在混合溶剂中的分散液，所述N,N-二甲基甲酰胺与蒸馏水的体积比为1：3～3：1；
2、按照下述方法之一制备有机二胺溶液：
2.1、当采用乙二胺时，直接量取；
2.2、当采用己二胺时，将其置于蒸馏水中，在超声波清洗仪中超声处理至少10min；己二胺物质的量与蒸馏水体积的比为0.025：100，己二胺物质的量的单位为mol，蒸馏水体积的单位为mL；
2.3、当采用其他类有机二胺时，将其至于混合溶剂中，在超声波清洗仪中超声处理至少10min；所述的混合溶剂是蒸馏水与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液，混合溶剂中蒸馏水和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1：3～3：1；所述有机二胺试剂为4,4-二氨基二苯砜、对苯二胺、4,4-二氨基二苯醚或4,4-二氨基二苯甲烷；有机二胺物质的量与混合溶剂体积的比为0.01：200～0.025：200，有机二胺物质的量的单位为mol，混合溶剂体积的单位为mL；
3、制备氨基化石墨烯：
3.1、氨基化反应：将氧化石墨烯分散液放入带有球形冷凝管的三口瓶中，然后加入有机二胺溶液，有机二胺的物质的量与氧化石墨烯粉体的质量的比例为0.005：1～0.04：1，有机二胺物质的量的单位为mol，氧化石墨烯粉体质量的单位为g；在氩气氛围下，加热回流搅拌，加热温度为70℃～100℃，搅拌时间为5h～10h；
3.2、待所得产物冷却至室温后离心分离，离心机转速为7000rpm～8000rpm，分离时间为10min～15min，结束后弃去上层清液，得到下层沉淀；
3.3、将下层沉淀浸泡在无水乙醇中并搅拌至少1min，再次离心分离，离心分离参数与1.3.2中相同；重复至少3次，得到含有少量无水乙醇的氨基化石墨烯；
3.4、将含有少量无水乙醇的氨基化石墨烯浸泡在蒸馏水中并搅拌至少1min，然后离心分离；重复至少3次，得到含有少量蒸馏水的氨基化石墨烯；
3.5、冷冻干燥：将含有少量蒸馏水的氨基化石墨烯放入蒸馏水中搅拌形成氨基化石墨烯水分散液，将氨基化石墨烯水分散液真空冷冻干燥，冷冻温度为-50℃～-15℃，真空度＜10Pa，冷冻干燥时间为3d～5d，得到黑色的氨基化石墨烯粉体。
本发明的工作原理是：制备工艺为一步法，利用氨基和氧化石墨烯中含量最高的环氧基之间的亲核取代反应进行氨基化，反应条件温和，反应装置简单、易操作，反应过程周期短；反应中所使用的有机试剂量少，大部分为水介质，工艺环保、安全，符合环境友好、以人为本的理念；石墨烯原材料的成本低，工艺简单，易于实现批量稳定生产；所制备出的氨基化石墨烯材料，片层薄、氨基化程度可控，大大提高了在有机溶剂中的分散性，有效改善了纳米材料与树脂基复合材料的相容性。
实施例1
将1g的氧化石墨烯粉体置于200mL的蒸馏水中，在超声波清洗仪中超声分散处理1h，得到氧化石墨烯的水分散液。
将氧化石墨烯的水分散液转移至500mL三口烧瓶中，磁力搅拌下滴加2.672mL的乙二胺试剂，90℃加热回流反应8h，氨基化反应完成，整个反应在氩气氛围下进行。
将得到的产物离心分离，用大量无水乙醇洗涤以除去剩余乙二胺，再将产物用蒸馏水洗涤以除去乙醇，将最终得到的氨基化石墨烯的水分散液进行冷冻干燥，最终得到氨基化石墨烯粉体。
实施例2
将1g的氧化石墨烯粉体置于300mL的蒸馏水中，在超声波清洗仪中超声分散处理1h，得到氧化石墨烯的水分散液。
称取2.9g己二胺晶体，加入100mL蒸馏水，超声处理至少10min。
将氧化石墨烯的水分散液转移至1000mL三口烧瓶中，磁力搅拌下滴加己二胺的水溶液，80℃加热回流反应6h，氨基化反应完成，整个反应在氩气氛围下进行。
将得到的产物离心分离，用大量无水乙醇洗涤以除去剩余己二胺，再将产物用蒸馏水洗涤以除去乙醇，将最终得到的氨基化石墨烯的水分散液进行冷冻干燥，最终得到氨基化石墨烯粉体。
实施例3
将1g的氧化石墨烯粉体置于250mL的蒸馏水中，在超声波清洗仪中超声分散处理1h，得到氧化石墨烯的水分散液；然后加入250mL的N,N-二甲基甲酰胺，超声0.5h以使溶剂混合均匀。
配制体积比为1:1的N,N-二甲基甲酰胺和水的混合溶剂50mL，加入1g的4,4-二氨基二苯甲烷后超声处理至少10min。
将氧化石墨烯的分散液转移至1000mL三口烧瓶中，磁力搅拌下滴加4,4-二氨基二苯甲烷的溶液，80℃加热回流反应6h，氨基化反应完成，整个反应在氩气氛围下进行。
将得到的产物离心分离，用大量无水乙醇洗涤以除去剩余的4,4-二氨基二苯甲烷以及有机溶剂，再将产物用蒸馏水洗涤以除去乙醇，将最终得到的氨基化石墨烯的水分散液进行冷冻干燥，最终得到氨基化石墨烯粉体。
实施例4
将1g的氧化石墨烯粉体置于250mL的蒸馏水中，在超声波清洗仪中超声分散处理1h，得到氧化石墨烯的水分散液；然后加入750mL的N,N-二甲基甲酰胺，超声0.5h以使溶剂混合均匀。
配制体积比为3:1的N,N-二甲基甲酰胺和水的混合溶剂100mL，加入1.24g的4,4-二氨基二苯砜后超声处理至少10min。
将氧化石墨烯的分散液转移至2000mL三口烧瓶中，磁力搅拌下滴加4,4-二氨基二苯砜的溶液，100℃加热回流反应10h，氨基化反应完成，整个反应在氩气氛围下进行。
将得到的产物离心分离，用大量无水乙醇洗涤以除去剩余的4,4-二氨基二苯砜以及有机溶剂，再将产物用蒸馏水洗涤以除去乙醇，将最终得到的氨基化石墨烯的水分散液进行冷冻干燥，最终得到氨基化石墨烯粉体。
实施例5
将1g的氧化石墨烯粉体置于375mL的蒸馏水中，在超声波清洗仪中超声分散处理1h，得到氧化石墨烯的水分散液；然后加入125mL的N,N-二甲基甲酰胺，超声0.5h以使溶剂混合均匀。
配制体积比为1:3的N,N-二甲基甲酰胺和水的混合溶剂200mL，加入2.7g的对苯二胺后超声处理至少10min。
将氧化石墨烯的分散液转移至1000mL三口烧瓶中，磁力搅拌下滴加对苯二胺的溶液，70℃加热回流反应5h，氨基化反应完成，整个反应在氩气氛围下进行。
将得到的产物离心分离，用大量无水乙醇洗涤以除去剩余的对苯二胺以及有机溶剂，再将产物用蒸馏水洗涤以除去乙醇，将最终得到的氨基化石墨烯的水分散液进行冷冻干燥，最终得到氨基化石墨烯粉体。
实施例6
将1g的氧化石墨烯粉体置于250mL的蒸馏水中，在超声波清洗仪中超声分散处理1h，得到氧化石墨烯的水分散液；然后加入750mL的N,N-二甲基甲酰胺，超声0.5h以使溶剂混合均匀。
配制体积比为3:1的N,N-二甲基甲酰胺和水的混合溶剂100mL，加入1g的4,4-二氨基二苯醚后超声处理至少10min。
将氧化石墨烯的分散液转移至2000mL三口烧瓶中，磁力搅拌下滴加4,4-二氨基二苯醚的溶液，100℃加热回流反应10h，氨基化反应完成，整个反应在氩气氛围下进行。
将得到的产物离心分离，用大量无水乙醇洗涤以除去剩余的4,4-二氨基二苯醚以及有机溶剂，再将产物用蒸馏水洗涤以除去乙醇，将最终得到的氨基化石墨烯的水分散液进行冷冻干燥，最终得到氨基化石墨烯粉体。

Claims (1)

1.一种用于树脂基复合材料的氨基化石墨烯的制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：
1.1、按照下述方法之一制备氧化石墨烯分散液：
1.1.1、称取至少1g氧化石墨烯粉体，置于烧杯中，加入蒸馏水，在超声波清洗仪中超声处理至少1h，得到氧化石墨烯的水分散液，所述氧化石墨烯粉体的质量与蒸馏水的体积的比例为1：200～1：300，氧化石墨烯粉体质量的单位为g，蒸馏水体积的单位为mL；
1.1.2、称取至少1g氧化石墨烯粉体，置于烧杯中，加入蒸馏水，在超声波清洗仪中超声处理至少1h，得到氧化石墨烯的水分散液，所述氧化石墨烯粉体的质量与蒸馏水的体积的比例为1：250～1：375，氧化石墨烯粉体质量的单位为g，蒸馏水体积的单位为mL；向氧化石墨烯的水分散液中加入N,N-二甲基甲酰胺，在超声波清洗仪中超声处理至少0.5h，得到氧化石墨烯在混合溶剂中的分散液，所述N,N-二甲基甲酰胺与蒸馏水的体积比为1：3～3：1；
1.2、按照下述方法之一制备有机二胺溶液：
1.2.1、当采用乙二胺时，直接量取；
1.2.2、当采用己二胺时，将其置于蒸馏水中，在超声波清洗仪中超声处理至少10min；己二胺物质的量与蒸馏水体积的比为0.025：100，己二胺物质的量的单位为mol，蒸馏水体积的单位为mL；
1.2.3、当采用其他类有机二胺时，将其至于混合溶剂中，在超声波清洗仪中超声处理至少10min；所述的混合溶剂是蒸馏水与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液，混合溶剂中蒸馏水和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1：3～3：1；所述有机二胺试剂为4,4-二氨基二苯砜、对苯二胺、4,4-二氨基二苯醚或4,4-二氨基二苯甲烷；有机二胺物质的量与混合溶剂体积的比为0.01：200～0.025：200，有机二胺物质的量的单位为mol，混合溶剂体积的单位为mL；
1.3、制备氨基化石墨烯：
1.3.1、氨基化反应：将氧化石墨烯分散液放入带有球形冷凝管的三口瓶中，然后加入有机二胺溶液，有机二胺的物质的量与氧化石墨烯粉体的质量的比例为0.005：1～0.04：1，有机二胺物质的量的单位为mol，氧化石墨烯粉体质量的单位为g；在氩气氛围下，加热回流搅拌，加热温度为70℃～100℃，搅拌时间为5h～10h；
1.3.2、待所得产物冷却至室温后离心分离，离心机转速为7000rpm～8000rpm，分离时间为10min～15min，结束后弃去上层清液，得到下层沉淀；
1.3.3、将下层沉淀浸泡在无水乙醇中并搅拌至少1min，再次离心分离，离心分离参数与1.3.2中相同；重复至少3次，得到含有少量无水乙醇的氨基化石墨烯；
1.3.4、将含有少量无水乙醇的氨基化石墨烯浸泡在蒸馏水中并搅拌至少1min，然后离心分离；重复至少3次，得到含有少量蒸馏水的氨基化石墨烯；
1.3.5、冷冻干燥：将含有少量蒸馏水的氨基化石墨烯放入蒸馏水中搅拌形成氨基化石墨烯水分散液，将氨基化石墨烯水分散液真空冷冻干燥，冷冻温度为-50℃～-15℃，真空度＜10Pa，冷冻干燥时间为3d～5d，得到黑色的氨基化石墨烯粉体。
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