CN107758657B - 一种改性氧化石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化工技术领域，具体涉及一种改性氧化石墨烯的方法。该方法具体包括以下步骤：首先将氧化石墨烯分散于醇溶剂中，搅拌分散均匀，加入催化剂，得分散液；然后通过气体置换将反应器内空气替换为二氧化碳，在压力2‑5MPa、温度60‑100℃下搅拌反应，反应结束后冷却至室温，将气体缓慢排除后，过滤除去催化剂及溶剂后，离心水洗，得改性氧化石墨烯。本发明制备的改性氧化石墨烯极大地提高了在水性涂料中的溶解性，分散稳定性好；改性后的氧化石墨烯能够显著改善水性涂料的性能，添加量少，降低了石墨烯的用量，降低了企业的生产成本。

Description

一种改性氧化石墨烯的方法
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种改性氧化石墨烯的方法。
背景技术
由于氧化石墨烯作为二维纳米材料，难以在水性环氧树脂中分散均匀。为了使石墨烯均匀的分散在水性环氧树脂当中，不发生团聚。目前存在以下三种方式解决氧化石墨烯在水性环氧树脂中的分散性问题。1、直接将氧化石墨烯添加到水性环氧树脂当中，这种方式简单有效，但是氧化石墨烯表面活性基团较少，并且无法与水性环氧树脂间形成较强的键能，氧化石墨烯的分散效果较差，所得的复合材料的强度与韧性均没法得到满足；2、通过静电吸附或者氢键等非共价键结合的方式对氧化石墨烯进行表面改性，这种方式较第一种方法取得了更好的效果，但是弱键结合的方式仍无法满足需求，分散稳定性有待进一步的提高；。3、是先对氧化石墨烯进行共价键接枝表面功能化处理，但氧化石墨烯的功能化过程复杂，一般有两种以上单体参与，且副产物较多，不能简单去除。
发明内容
针对现有技术中存在问题，本发明提供了一种改性氧化石墨烯的方法，该方法制备的改性氧化石墨烯，极大提高了石墨烯在水性环氧树脂中的溶解性，分散性稳定性好。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：
本发明提供了一种改性氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯分散于醇溶剂中，搅拌分散均匀，加入催化剂，得分散液；
（2）通过气体置换将反应器内空气替换为二氧化碳，在压力2-5MPa、温度60-100℃下搅拌反应，反应结束后冷却至室温，将气体缓慢排除后，过滤除去催化剂及溶剂后，离心水洗，得改性氧化石墨烯。
进一步的，所述醇溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇。
进一步的，所述醇溶剂为甲醇。
进一步的，所述氧化石墨烯在醇溶剂中的浓度为5mg/mL。
进一步的，所述催化剂为乙醇铝、异丙醇铝和正丁醇铝。
进一步的，所述催化剂为乙醇铝或异丙醇铝。
上述催化剂的加入量为2-5mol%。
进一步的，所述反应的时间为10h。
本发明所提供的制备方法，具体的合成路线如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
如上所示，氧化石墨烯I中的环氧基团在Al催化剂的作用下与CO2发生反应得到II，II随后醇解得到改性氧化石墨烯III，实现了氧化石墨烯中环氧基团转换为两个亲水型的羟基。
本发明的有益效果为：
（1）本发明制备的改性氧化石墨烯极大地提高了在水性涂料中的溶解性，分散稳定性好；
（2）改性后的氧化石墨烯能够显著改善水性涂料的性能，添加量少，降低了石墨烯的用量，降低了企业的生产成本。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步的阐述，下述说明仅为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1
1.1将耐压反应器中加入50mg氧化石墨烯分散于10mL的甲醇中，搅拌分散均匀后加入2mol%异丙醇铝，得分散液；
1.2通过气体置换将反应器中的空气替换为二氧化碳，升温至80℃，在3MPa的压力下反应10h，反应结束后冷却至室温，过滤除去催化剂和溶剂后，经过离心水洗，干燥即可。
实施例2
2.1将耐压反应器中加入50mg氧化石墨烯分散于10mL的异丙醇中，搅拌分散均匀后加入3mol%异丙醇铝，得分散液；
2.2通过气体置换将反应器中的空气替换为二氧化碳，升温至60℃，在5MPa的压力下反应，反应结束后冷却至室温，过滤除去催化剂和溶剂后，经过离心水洗，干燥即可。
实施例3
3.1将耐压反应器中加入50mg氧化石墨烯分散于10mL的乙醇中，搅拌分散均匀后加入5mol%正丁醇铝，得分散液；
3.2通过气体置换将反应器中的空气替换为二氧化碳，升温至100℃，在2MPa的压力下反应10h，反应结束后冷却至室温，过滤除去催化剂和溶剂后，经过离心水洗，干燥即可。
效果实施例：
（一）取实施例1-3制备的改性氧化石墨烯及未改性的氧化石墨烯加入到去离子水中，超声0.5 h后，静置；4 h后氧化石墨烯静置分层；而实施例1-3制备的改性氧化石墨烯仍然在水中呈均匀分布状态；说明改性后的氧化石墨烯的亲水性强于氧化石墨烯。
（二）将氧化石墨烯（GO）分散在水中加入水性环氧树脂乳液中，在常温下超声2 h。将20 wt%的预热的固化剂趁热加入到混合物中，搅拌均匀。将涂有脱模剂的钢模预热，然后将混合物慢慢浇铸到模具中，注意浇铸的过程中沿壁慢慢倒入，避免浇铸过程中产生气泡，然后自然固化。利用以上方法制备GO含量分别为 0 wt%、0.1 wt%、0.5 wt%、1.0 wt%的复合材料，以及制备相应含量的功能化GO/EP复合材料。
随后，将添加氧化石墨烯与改性石墨烯复合材料进行冲击性能测试、弯曲性能、拉伸强度测试，具体结果见表1-3。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE004
由上表知，改性氧化石墨烯水性环氧树脂涂料的冲击性能测试优于氧化石墨烯水性环氧树脂涂料。当氧化石墨烯的用量为0.5wt%其冲击达强度到最大值25.9kJ/m-2，当改性石墨烯的含量为0.1wt%时就能达到氧化石墨烯添加0.5wt%的效果。所以使用改性石墨烯能够降低氧化石墨烯的使用量。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE006
由上表知，改性氧化石墨烯水性环氧树脂涂料的弯曲性能测试优于氧化石墨烯水性环氧树脂涂料。当氧化石墨烯的用量为0.5wt%其弯曲强度达到最大值85.7MPa，而改性石墨烯的含量为0.1wt%时就能达到氧化石墨烯添加0.5wt%的效果。
表3
Figure DEST_PATH_IMAGE008
由上表知，改性氧化石墨烯水性环氧树脂涂料的冲击性能测试优于氧化石墨烯水性环氧树脂涂料。当氧化石墨烯的用量为0.5 wt%其拉伸强度到最大值52.7 MPa，而改性石墨烯的含量为0.1 wt%时就能达到氧化石墨烯添加0.5 wt%的效果。所以使用改性石墨烯能够降低氧化石墨烯的使用量。

Claims (6)

1.一种改性氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯分散于醇溶剂中，搅拌分散均匀，加入催化剂，得分散液；
所述醇溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇；所述催化剂为乙醇铝、异丙醇铝和正丁醇铝；
（2）通过气体置换将反应器内空气替换为二氧化碳，在压力2-5MPa、温度60-100℃下搅拌反应，反应结束后冷却至室温，将气体缓慢排除后，过滤除去催化剂及溶剂后，离心水洗，得改性氧化石墨烯。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述醇溶剂为甲醇。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯在醇溶剂中的浓度为5mg/mL。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂为乙醇铝或异丙醇铝。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述催化剂的加入量为2-5mol%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应的时间为10h。
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Granted publication date: 20200911

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