CN109232982A - 一种易分散的改性石墨烯的制备方法 - Google Patents

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计娉婷
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Abstract

本发明公开了一种易分散的改性石墨烯的制备方法，采用的是Hummers法制备氧化石墨烯，利用氧化石墨烯片层上的羟基进行功能化，通过酯化反应将功能分子嫁接到氧化石墨烯上得到酯化石墨烯，然后将苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯与酯化石墨烯混合均匀制备成乳液，通过钴60源室辐照聚合的方式连接到氧化石墨烯的表面上，然后经破乳、干燥而制成石墨烯/聚苯酯复合材料粉末。本发明制备的改性石墨烯采用聚合物改性，增加了石墨烯本身与聚合物聚苯酯的相容性，使其能均匀稳定地分散于聚合物中。

Description

一种易分散的改性石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料技术领域，具体涉及一种易分散的改性石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种有碳原子组成的二维材料，由于它二维结构的特殊性，使其具有质量轻且比表面积大等优点。除此之外，由于它拥有优异的电学性能、热学性能和机械强度以及一些独特的性能，使它成为目前非常具有应用前景的纳米材料。但石墨烯表面没有任何官能团，片与片之间较强的相互作用导致其容易堆叠，多片石墨烯放在一起时易形成多层石墨烯结构。这种堆叠的石墨烯结构不仅稳定性差，而且降低了石墨烯的比表面积，限制其界面的高效利用，从而影响了它在储能、催化、复合材料、电子器件等领域应用时的性能。除此之外，由于石墨烯既不亲水也不亲油，加之其结构稳定和化学惰性都阻碍了它的应用。因此，单层石墨烯的不稳定性及分散问题成为制约石墨烯性能进一步提升和应用领域的瓶颈。
目前增加石墨烯的分散性主要可以通过共价键和非共价键包覆来实现。共价键包覆主要指在石墨烯表面以共价键的方式接枝大量官能团或长分子链，例如将长链烷基胺接枝在石墨烯表面，使石墨烯很好的分散在有机溶剂中(参考J.Am.Chem.Soc.,2006,128,7720–7721.)；或将羧基和磺酸基接枝在石墨烯表面可使石墨烯较好的分散在水相中(参考Nature Nanotech.,2008,3,101–105；NanoLett.,2008,8,1679–1682)。
而就目前而言，化学还原氧化石墨烯法已成为使用最广泛，最有希望实现大规模工业化的制备石墨烯的一种方法，因此通过氧化石墨烯上的自带官能团进一步改性石墨烯的成为提高石墨烯分散性的一种简单方便的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种易分散的改性石墨烯的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种易分散的改性石墨烯的制备方法，包含以下步骤：
(1)采用Hummers法制备氧化石墨烯；
(2)通过酯化反应将功能分子嫁接到经步骤(1)制备的氧化石墨烯的羟基上，得酯化石墨烯；
(3)将苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯与酯化石墨烯按照质量比1:1-2.5:0.5-1.5:0.01-0.05加入十二烷基硫酸钠水溶液中混合成乳液，然后向混合乳液通入氮气并置入钴60源室中，通过钴60源辐照聚合得到改性石墨烯。
进一步方案，所述功能分子为带双键和羧基官能团的酸类衍生物，包括衣康酸及其衍生物、马来酸及其衍生物和丙烯酸及其衍生物。
进一步方案，所述步骤(2)中酯化石墨烯的制备方法如下：将氧化石墨烯分散于甲苯溶液中成混合液，再将混合液加入装有机械搅拌、油水分离器、冷凝管和温度计的三口烧瓶中，然后加入磷酸和功能分子进行混合，其中氧化石墨烯、磷酸和功能分子间质量比为1:0.05-1:1-1.5，并将其置于油浴加热至100℃-200℃，搅拌反应5h-10h，然后将反应混合液降温到50℃后洗涤、中和、蒸馏得酯化石墨烯。
更进一步方案，所述洗涤是用5wt％的碳酸氢钠水溶液在分液漏斗中对反应混合液反复清洗、分液至其油相pH值为8时为止，以除去多余未反应的小分子羧酸；所述中知是用20％的HCl水溶液来中和混合液至中性；所述蒸馏是指将中和后的混合液在80℃下减压蒸馏2h，以除去混合液中的水和甲苯。
进一步方案，所述步骤(1)中Hummers法具体为：在冰浴条件下，将石墨和NaNO3缓缓加入浓H2SO4中并搅拌；在强力搅拌条件下往缓慢加入KMnO4；将上述混合物移至水浴条件下，再剧烈搅拌1.5h左右后，形成墨绿色稠膏状物质；向膏状物中缓慢加入去离子水后，将所得的混合物再次移至水浴条件下反应10-20min；加入去离子水并逐滴加入30％H2O2，搅拌、静置后得到亮黄色悬浮液；将所得亮黄色悬浮液静置、沉淀24h后，把上层清液倒掉，并用去离子水多次洗涤至溶液呈中性为止，真空干燥，即得到氧化石墨烯。
氧化石墨烯一般由石墨经强酸氧化而得，其主要有三种制备氧化石墨的方法：Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法的制备过程的时效性相对较好而且制备过程中也比较安全，是目前最常用的一种。它采用浓硫酸中的高锰酸钾与石墨粉末经氧化反应之后，得到棕色的在边缘有衍生羧酸基及在平面上主要为酚羟基和环氧基团的石墨薄片，此石墨薄片层可以经超声或高剪切剧烈搅拌剥离为氧化石墨烯，并在水中形成稳定、浅棕色的单层氧化石墨烯悬浮液。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明首次运用辐照聚合的方法改性石墨烯，其生产成本较低，条件易控，制备的改性石墨烯性能稳定，可以工业化生产；
(2)本发明制备的改性石墨烯采用聚合物改性，增加了石墨烯本身与聚合物聚苯酯的相容性，使其能均匀稳定地分散于聚合物中。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步描述，以下实施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。
实施例1
称取2.0g石墨和1.0g NaNO3，在冰浴条件下，缓缓加入40mL浓H2SO4，搅拌40-70min；往体系中缓慢加入8g KMnO4，强力搅拌1.5h；将上述混合物移至35℃水浴条件下，再剧烈搅拌1.5h左右后，形成墨绿色稠膏状物质；向膏状物中缓慢加入50mL去离子水后，将所得的混合物移至98℃水浴条件下反应10-20min；加入50mL去离子水，然后逐滴加入10mL30％H2O2，搅拌、静置后得到亮黄色悬浮液；将所得悬浮液静置、沉淀24h后，把上层清液倒掉，并用去离子水多次洗涤至溶液呈中性为止，真空干燥，即得到氧化石墨烯(GO)。
先将2g氧化石墨烯分散于30ml甲苯溶液中，再将混合液加入装有机械搅拌、油水分离器、冷凝管和温度计的250ml三口烧瓶中，然后加入0.1g磷酸和2g丙烯酸。再将混合液油浴加热至140℃，搅拌反应5h，然后将反应混合液降温到50℃，用5wt％的碳酸氢钠水溶液在分液漏斗中反复清洗、分液至油相pH＝8，除去多余未反应的小分子羧酸。再用20％的HCl水溶液洗三遍来中和混合液。最后，将中和后的混合液在80℃下减压蒸馏2h，除去少量水和甲苯。最终得到的酯化石墨烯。
将0.05g酯化石墨烯与3g丙烯酸丁酯、5g甲基丙烯酸甲酯、2g苯乙烯、0.5g十二烷基硫酸钠，40g去离子水混合高速搅拌均匀后，形成稳定乳液，制得的将混合乳液通氮气10分钟，置入钴60源室，在搅拌条件下，以50Gy/min的剂量率辐照4小时。辐照完成后将样品取出，干燥，得到聚苯酯改性的石墨烯。
实施例2
在冰水浴中装配好250ML的反应瓶，加入适量的浓硫酸，在搅拌条件下加入2g石墨粉和1g硝酸钠的固体混合物，再分次加入6g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，搅拌反应一段时间，然后升温到35℃左右继续搅拌30min，在缓慢加入一定量的去离子水，继续搅拌20min后，并加入适量双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色。趁热过滤并用5％HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测为止。最后将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥，得到氧化石墨烯。
先将2g氧化石墨烯分散于30ml甲苯溶液中，再将混合液加入装有机械搅拌、油水分离器、冷凝管和温度计的250ml三口烧瓶中，然后加入少量(0.5g)磷酸和3g马来酸酐。再将混合液油浴加热至140℃，搅拌反应5h，然后将反应混合液降温到50℃，用5wt％的碳酸氢钠水溶液在分液漏斗中反复清洗、分液至油相pH＝8，除去多余未反应的小分子羧酸。再用20％的HCl水溶液洗三遍来中和混合液。最后，将中和后的混合液在80℃下减压蒸馏2h，除去少量水和甲苯。最终得到的酯化石墨烯。
将0.5g酯化石墨烯与5g丙烯酸丁酯、10g甲基丙烯酸甲酯、10g苯乙烯、0.5g十二烷基硫酸钠，40g去离子水混合高速搅拌均匀后，形成稳定乳液，制得的将混合乳液通氮气10分钟，置入钴60源室，在搅拌条件下，以60Gy/min的剂量率辐照3小时。辐照完成后将样品取出，干燥，得到聚苯乙烯改性的石墨烯。
实施例3
在冰水浴中装配好250ML的反应瓶，加入适量的浓硫酸，在搅拌条件下加入10g石墨粉和5g硝酸钠的固体混合物，再分次加入30g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，搅拌反应一段时间，然后升温到35℃左右继续搅拌30min，在缓慢加入一定量的去离子水，继续搅拌20min后，并加入适量双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色。趁热过滤并用5％HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测为止。最后将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥，得到氧化石墨烯。
先将10g氧化石墨烯分散于100ml甲苯溶液中，再将混合液加入装有机械搅拌、油水分离器、冷凝管和温度计的250ml三口烧瓶中，然后加入少量(0.5g)磷酸和10g马来酸酐。再将混合液油浴加热至140℃，搅拌反应5h，然后将反应混合液降温到50℃，用5wt％的碳酸氢钠水溶液在分液漏斗中反复清洗、分液至油相pH＝8，除去多余未反应的小分子羧酸。再用20％的HCl水溶液洗三遍来中和混合液。最后，将中和后的混合液在80℃下减压蒸馏2h，除去少量水和甲苯。最终得到的酯化石墨烯。
将0.3g酯化石墨烯与10g丙烯酸丁酯、20g甲基丙烯酸甲酯、10g苯乙烯、0.5g十二烷基硫酸钠，40g去离子水混合高速搅拌均匀后，形成稳定乳液，制得的将混合乳液通氮气10分钟，置入钴60源室，在搅拌条件下，以60Gy/min的剂量率辐照3小时。辐照完成后将样品取出，干燥，得到聚苯乙烯改性的石墨烯。
实施例4
在冰水浴中装配好250ML的反应瓶，加入适量的浓硫酸，在搅拌条件下加入10g石墨粉和5g硝酸钠的固体混合物，再分次加入30g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，搅拌反应一段时间，然后升温到35℃左右继续搅拌30min，在缓慢加入一定量的去离子水，继续搅拌20min后，并加入适量双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色。趁热过滤并用5％HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测为止。最后将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥，得到氧化石墨烯。
先将10g氧化石墨烯分散于100ml甲苯溶液中，再将混合液加入装有机械搅拌、油水分离器、冷凝管和温度计的250ml三口烧瓶中，然后加入少量(10g)磷酸和15g马来酸酐。再将混合液油浴加热至140℃，搅拌反应5h，然后将反应混合液降温到50℃，用5wt％的碳酸氢钠水溶液在分液漏斗中反复清洗、分液至油相pH＝8，除去多余未反应的小分子羧酸。再用20％的HCl水溶液洗三遍来中和混合液。最后，将中和后的混合液在80℃下减压蒸馏2h，除去少量水和甲苯。最终得到的酯化石墨烯。
将2g酯化石墨烯与60g丙烯酸丁酯、30g甲基丙烯酸甲酯、60g苯乙烯、0.3g十二烷基硫酸钠，40g去离子水混合高速搅拌均匀后，形成稳定乳液，制得的将混合乳液通氮气10分钟，置入钴60源室，在搅拌条件下，以80Gy/min的剂量率辐照3小时。辐照完成后将样品取出，干燥，得到聚苯乙烯改性的石墨烯。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种易分散的改性石墨烯的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
（1）采用Hummers 法制备氧化石墨烯；
（2）通过酯化反应将功能分子嫁接到经步骤（1）制备的氧化石墨烯的羟基上，得酯化石墨烯；
（3）将苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯与酯化石墨烯按照质量比1:1-2.5:0.5-1.5:0.01-0.05加入十二烷基硫酸钠水溶液中混合成乳液，然后向混合乳液通入氮气并置入钴60源室中，通过钴60源辐照聚合得到改性石墨烯。
2.根据权利要求1 所述的一种易分散的改性石墨烯的制备方法，其特征在于：所述功能分子为带双键和羧基官能团的酸类衍生物，包括衣康酸及其衍生物、马来酸及其衍生物和丙烯酸及其衍生物。
3.根据权利要求1 所述的一种易分散的改性石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中酯化石墨烯的制备方法如下：将氧化石墨烯分散于甲苯溶液中成混合液，再将混合液加入装有机械搅拌、油水分离器、冷凝管和温度计的三口烧瓶中，然后加入磷酸和功能分子进行混合，其中氧化石墨烯、磷酸和功能分子间质量比为1:0.5-1:1-1.5，并将其置于油浴加热至100℃-200℃，搅拌反应5h-10h，然后将反应混合液降温到50℃后洗涤、中和、蒸馏得酯化石墨烯。
4.根据权利要求3所述的一种易分散的改性石墨烯的制备方法，其特征在于：所述洗涤是用5wt%的碳酸氢钠水溶液在分液漏斗中对反应混合液反复清洗、分液至其油相pH值为8时为止，以除去多余未反应的小分子羧酸；所述中知是用20%的HCl水溶液来中和混合液至中性；所述蒸馏是指将中和后的混合液在80℃下减压蒸馏2h，以除去混合液中的水和甲苯。
5.根据权利要求1所述的一种易分散的改性石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中Hummers 法具体为：在冰浴条件下，将石墨和NaNO3缓缓加入浓 H2SO4中并搅拌；在强力搅拌条件下往缓慢加入 KMnO4；将上述混合物移至水浴条件下，再剧烈搅拌 1.5h 左右后，形成墨绿色稠膏状物质；向膏状物中缓慢加入去离子水后，将所得的混合物再次移至水浴条件下反应 10-20min；加入去离子水并逐滴加入30%H2O2，搅拌、静置后得到亮黄色悬浮液；将所得亮黄色悬浮液静置、沉淀 24 h后，把上层清液倒掉，并用去离子水多次洗涤至溶液呈中性为止，真空干燥，即得到氧化石墨烯。
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