CN107814380A - 利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法。该方法将剪切增稠体系与石墨混合，通过机械剪切使混合液体处于剪切增稠的高粘度状态，可显著增强剪切增稠体系与石墨界面之间的剪切应力，从而提高剥离石墨制备石墨烯的效率；移除机械剪切或者降低剪切速率后，混合液体恢复为非剪切增稠的低粘度状态，有利于快速离心分离得到高质量的石墨烯。该方法具有工艺简便、剥离效率高、易于分离纯化、生产周期短、成本低、产品质量稳定等特点，有利于实现石墨烯的工业化生产与应用。

Description

利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯的方法，特别是指一种利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子共轭相连形成六角平面结构的二维纳米材料。石墨烯具有优良的力学、热学、电学及高的电荷载流子迁移率，同时具有良好的机械强度与透明度，在电子材料、生物医学及能源储存等诸多领域有广泛的应用前景。

目前制备石墨烯的方法主要有化学氧化还原法、化学气相沉积法、机械剥离法和液相剥离法等。其中，化学氧化还原法可以实现石墨烯的批量化生产，但是由于氧化还原过程会破坏石墨烯的晶格结构，得到的石墨烯存在大量缺陷，其导电、导热性能较差。同时，还需要用到强酸、强氧化剂、还原剂等有毒、有害的化学试剂，容易造成环境污染问题；化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，但其产率低，需要合适的衬底、转移困难、价格昂贵，只适合用于透明导电薄膜或微纳米电子器件等少数领域，难以满足石墨烯在功能复合材料、储能材料、导热散热材料等领域的宏量使用需求；液相剥离法是在合适的溶剂中，对石墨片层进行超声插层剥离。液相剥离法制备的石墨烯产率很低，并且由于石墨烯在液相中的浓度通常很低，溶剂难以去除，限制了石墨烯的工业化生产和应用；相比之下，机械剥离法通过机械方式研磨、剪切石墨原材料，是一种低成本制备高质量石墨烯的简便方法。

中国发明专利申请号201510815664.8提出一种利用螺杆机剪切连续制备石墨烯的方法，在同向啮合的多螺杆机连续旋转的过程中，产生高剪切应力，以平行于石墨层面的方向进行剪切剥离，可制备大尺寸的石墨烯。但是，该方法工艺复杂，生产效率较低，且所得石墨烯的尺寸和厚度难以控制。

Ester Vázquez等人(Chemical Communication,2011,47,10936-10938)利用球磨设备的剪切力，在三聚氰胺辅助球磨下得到石墨烯纳米片，但该方法剪切剥离法对剪切力的利用效率较低，得到的石墨烯产率也较低。

中国发明专利申请号201610706923.8提出一种利用表面活性剂改性石墨，吸附聚合物并扩链后，进行剪切剥离得到石墨烯。该方法可以增强聚合物对石墨的吸附作用，同时可削弱石墨片层间的相互作用力，并有效保护石墨烯的晶格结构。但该方法所制石墨烯中含有大量表面活性剂和聚合物，难以分离纯化，影响石墨烯的导电、导热等性能，也限制了其应用领域。

中国发明专利申请号201410717660.1提出了一种利用浓硫酸与高锰酸钾混合物或浓硫酸与重铬酸钾混合物等作为插层剂，在水相中剪切剥离石墨制备石墨烯，制得的石墨烯产品在水中的浓度可达10wt％，制成石墨烯粉体后还可再分散到溶剂中。然而，该方法需要使用强酸、强氧化剂作插层剂，不仅会破坏石墨烯规整的晶格结构，更重要的是环境污染问题，增加废水处理的成本。

根据上述，通过机械方式剪切剥离石墨尽管可以得到石墨烯，但仍然存在不少尚未解决的难题，例如：制备工艺复杂、剪切剥离效率低下、难以分离纯化、环保问题严峻等，对石墨烯的工业化生产和产业化应用带来不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，能够高效剪切剥离石墨制备石墨烯，并且容易对石墨烯产品进行分离纯化。

为实现上述目的，本发明所提供的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，利用剪切增稠体系的粘度可随着剪切速率的增长而提升2～3个数量级的特性，将其与石墨原材料混合后，通过机械剪切使混合液体处于剪切增稠的高粘度状态，从而显著增强剪切增稠体系与石墨界面之间的剪切应力，提高剥离石墨制备石墨烯的效率；移除机械剪切或者降低剪切速率后，混合液体恢复为非剪切增稠的低粘度状态，有利于快速离心分离得到高质量的石墨烯。需要说明的是，前述高粘度、低粘度均为相对概念，高粘度指高剪切速率时增大的粘度，低粘度指剪切速率降低或移除机械剪切后的粘度。

优选地，所述剪切增稠体系包括乙二醇-聚合物微球体系、表面活性剂-无机盐体系、聚乙二醇-聚合物微球体系、淀粉-水体系、聚乙烯醇-硼酸钠体系和聚合物剪切增稠体系中的一种或多种。

优选地，所述表面活性剂-无机盐体系为表面活性剂、无机盐和水构成的剪切增稠体系，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基苯磺酸铵、十二烷基苯磺酸铵、辛烷基三甲基溴化铵、辛烷基硫酸钠和油酸钠中的一种或多种；所述无机盐包括溴化钠、氯化钠、溴化钾、氯化钾、硝酸钠、水杨酸钠、对甲苯磺酸钠、硫酸钠、硫酸钾和磷酸钠中的一种或多种。

优选地，所述乙二醇-聚合物微球体系、聚乙二醇-聚合物微球体系分别为乙二醇与聚合物微球、聚乙二醇与聚合物微球构成的剪切增稠体系，所述聚合物微球包括聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚苯乙烯微球、聚苯乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物微球、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯共聚物微球、聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯共聚物微球和聚丁二烯-苯乙烯共聚物微球中的一种或多种。

优选地，所述聚合物微球的直径在10～500nm。

优选地，所述聚合物剪切增稠体系是由具有剪切增稠特性的聚合物构成的剪切增稠体系，或者由具有剪切增稠特性的聚合物、无机盐和溶剂，所述聚合物包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺修饰物、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚丙烯酸、聚丙烯酸修饰物中的一种或多种。

优选地，石墨原材料包括天然石墨、微晶石墨、土状石墨、膨胀石墨、高定向石墨、人造石墨的一种或多种。

优选地，所述机械剪切所采用的剪切设备包括乳化机、搅拌分散机、球磨机、砂磨机、密炼机、开炼机、哈克流变仪、单螺杆和双螺杆挤出机中的一种或多种。采用多种剪切设备时，可依次通过各剪切设备进行剪切，提高石墨烯的剥离效果。

优选地，所述剪切增稠体系与石墨原材料的质量比为(1～200)：1，优选为(50～200)∶1。

本发明的有益效果是：本发明利用剪切增稠体系的剪切增稠特性，当处于高剪切速率时体系的粘度大幅增加，有利于增强剪切增稠体系与石墨界面之间的剪切应力，提高剥离石墨制备石墨烯的效率；而当高剪切速率去除时，混合液体粘度大幅下降，呈现流体状态，有利于快速离心分离得到高质量的石墨烯。本发明操作简便、剥离效率高、易于分离纯化、制备周期短、成本低、产品质量好、利于环保，有很好的工业应用前景。

附图说明

图1、图2分别为实施例1、实施例3制备得到的石墨烯产物的透射电子显微镜照片。

具体实施方式

本发明所提供的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，将剪切增稠体系与石墨原材料混合后，通过机械剪切使混合液体处于剪切增稠的高粘度状态，不断将石墨烯从石墨原材料中剥离到混合液体中；移除机械剪切后，混合液体恢复为非剪切增稠的低粘度状态，再经过离心分离得到石墨烯。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例采用乙二醇-聚合物微球体系作为剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯，其步骤为：取乙二醇60g，直径10nm甲基丙烯酸甲酯微球40g，均匀混合，加入石墨粉0.5g，300rpm球磨剪切6h，静置，离心分离(离心分离时相对速率小，剪切力低，体系粘度较低)，干燥后得到石墨烯粉体。

实施例2

本实施例采用聚乙二醇-聚合物微球体系作为剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯，其步骤为：取聚乙二醇溶液200g，直径500nm聚甲基丙烯酸甲酯微球125g，均匀混合，加入10g微晶石墨，在200～350rpm下高速剪切6h，静置，离心分离，干燥后得到石墨烯粉体。

实施例3

本实施例采用表面活性剂-无机盐体系作为剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯，其步骤为：取3.6g十六烷基三甲基溴化铵和0.35g水杨酸钠，溶解于100mL水中，加入325目石墨1g，在250rpm下剪切8h，静置，离心分离，干燥后得到石墨烯粉体。

实施例4

本实施例采用聚合物剪切增稠体系作为剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯，其步骤为：取聚二烯丙基二甲基氯化铵1.5g和氯化钠5.85g，溶解于100mL去离子水中，加入500目石墨1g，300rpm高速剪切8h，静置，离心分离，干燥后得到石墨烯粉体。

实施例5

本实施例采用十六烷基三甲基对甲苯磺铵、十二烷基磺酸钠复配得到的剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯，其步骤为：取十六烷基三甲基对甲苯磺铵0.228g和十二烷基磺酸钠0.03g，溶解于100mL去离子水中。加入500目石墨1g，300rpm下高速剪切8h，静置，离心分离，干燥后得到石墨烯粉体。

实施例6

本实施例采用质量分数％的PVA水溶液100g，加入2g硼酸钠和0.5g石墨，混合均匀，300rpm下高速剪切8h，静置，离心分离，干燥后得到石墨烯粉体。

对照例1

取聚二烯丙基二甲基氯化铵1.5g，溶于100mL去离子水中，加入500目石墨1g，300rpm下高速剪切8h，静置，离心分离，干燥后得到石墨烯粉体。

对照例2

取3.6g十六烷基三甲基氯化铵溶解于100mL水中，加入325目石墨1g，250rpm下高速剪切8h，经离心分离，干燥后得到石墨烯粉体。

各实施例、对照例的5层以下石墨烯产率如下表1所示：

表1各实施例、对照例石墨烯产率

上表中，各实施例的5层以下(含5层)石墨烯产率高达76％～83％，而各对照例的5层以下石墨烯产率仅为1.5％～3％。对比可知，本发明通过应用剪切增稠体系的特性，显著提高了石墨烯产率。

实施例1、实施例3制备得到的石墨烯产物的透射电子显微镜照片分别见图1、图2，从图中可以看出：本发明制备出的石墨烯层数少，在透射电子显微镜下成半透明状。

Claims (9)

1.一种利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，其特征在于：该方法将剪切增稠体系与石墨原材料混合，通过机械剪切使混合液体处于剪切增稠的高粘度状态，从而将石墨烯剥离到混合液体中；移除机械剪切或者降低剪切速率，使混合液体恢复为非剪切增稠的低粘度状态后，经过离心分离得到石墨烯。

2.根据权利要求1所述的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，其特征在于：所述剪切增稠体系包括乙二醇-聚合物微球体系、表面活性剂-无机盐体系、聚乙二醇-聚合物微球体系、淀粉-水体系、聚乙烯醇-硼酸钠体系和聚合物剪切增稠体系中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，其特征在于：所述表面活性剂-无机盐体系为表面活性剂、无机盐和水构成的剪切增稠体系，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基苯磺酸铵、十六烷基三甲基对甲苯磺铵、十二烷基苯磺酸铵、辛烷基三甲基溴化铵、辛烷基硫酸钠和油酸钠中的一种或多种；所述无机盐包括溴化钠、氯化钠、溴化钾、氯化钾、硝酸钠、水杨酸钠、对甲苯磺酸钠、硫酸钠、硫酸钾和磷酸钠中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，其特征在于：所述乙二醇-聚合物微球体系、聚乙二醇-聚合物微球体系分别为乙二醇与聚合物微球、聚乙二醇与聚合物微球构成的剪切增稠体系，所述聚合物微球包括聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚苯乙烯微球、聚苯乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物微球、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯共聚物微球、聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯共聚物微球和聚丁二烯-苯乙烯共聚物微球中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，其特征在于：所述聚合物微球的直径在10～500nm。

6.根据权利要求2所述的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，其特征在于：所述聚合物剪切增稠体系是由具有剪切增稠特性的聚合物构成的剪切增稠体系，或者由具有剪切增稠特性的聚合物、无机盐和溶剂构成剪切增稠体系；所述聚合物包括聚丙烯酰胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚丙烯酸中的一种或多种。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，其特征在于：所述石墨原材料包括天然石墨、微晶石墨、土状石墨、膨胀石墨、高定向石墨、人造石墨的一种或多种。

8.根据权利要求1～6中任一项所述的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，其特征在于：所述机械剪切所采用的设备包括乳化机、搅拌分散机、球磨机、砂磨机、密炼机、开炼机、哈克流变仪、单螺杆和双螺杆挤出机中的一种或多种。

9.根据权利要求1～6中任一项所述的利用剪切增稠体系剥离石墨制备石墨烯的方法，其特征在于：所述剪切增稠体系与石墨原材料的质量比为(1～200)∶1。