CN110436448A - 一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，包括如下步骤：步骤一、预处理：将石墨烯装入上部开口的PET瓶内，并倒入液氮以完全浸没石墨烯，后在室温静置，至瓶内液氮完全蒸发；步骤二、超低温处理：再次往PET瓶内倒入液氮至完全浸没石墨烯，然后将PET瓶放入液氮罐内，静置；步骤三、干燥：从液氮罐中取出PET瓶放置于室温中，使PET瓶内液氮完全蒸发；步骤四、混合：待步骤四中PET瓶内液氮完全蒸发后，立即往PET瓶内倒入溶剂，并轻微晃动；步骤五、分散：将PET瓶放入冰水浴中，超声处理，得到稳定的小尺寸石墨烯分散液。该方法能够在较短的时间内完成石墨烯分散液的制备过程，所得的石墨烯分散液具有非常好的分散稳定性。

Description

一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯相关的技术领域，提供了一种通过超低温液氮制备无杂质、石墨烯分散稳定且片径可控的石墨烯分散液的方法。
背景技术
石墨烯是一种二维碳材料，具有优异的力学、电学、光学和热学等性能，在近些年的研究中，被广泛的应用到了材料、电子、化学、能源和生物医药等领域。在橡胶、塑料、电池材料、生物材料等领域，石墨烯的加入能够显著提高原材料的导电性、导热性、力学、热学等性能，对各种材料的深度开发和使用提供了科学依据。石墨烯的这些特性来自于其sp2杂化的二维结构，表现为苯环结构的周期性紧密堆积，片层之间以范德华力和π-π键相连，使电子在石墨烯片层间能够无阻力的自由运动。同时，石墨烯具有非常高的比表面积，为石墨烯与其他材料的复合提供了大量的接触位点。但是，正因为石墨烯具有很大的片层结构和单一的组成，使得石墨烯分散液具有很差的分散稳定性。目前，大部分研究都是通过添加各种分散剂、增粘剂等添加剂的方法来提高石墨烯的分散稳定性。通过这类方法得到石墨烯分散液中含有大量的添加剂，而这些添加剂对于其他应用体系有着非常严重的负面作用，也会降低石墨烯的各种特性，致使石墨烯无法真正的应用在各个领域的研究中。而且，通过使用添加剂的方法所得到的分散液中，石墨烯的片径尺寸并不均一，也会影响石墨烯在其他体系中的使用效果。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，以克服现有技术的不足。
为实现上述方法目的，本发明提供如下技术方案：一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，包括如下步骤：
步骤一、预处理：将石墨烯装入上部开口的PET瓶内，并倒入液氮以完全浸没石墨烯，后在室温静置，至瓶内液氮完全蒸发；
步骤二、超低温处理：再次往PET瓶内倒入液氮至完全浸没石墨烯，然后将PET瓶放入液氮罐内，静置；
步骤三、干燥：从液氮罐中取出PET瓶放置于室温中，使PET瓶内液氮完全蒸发；
步骤四、混合：待步骤四中PET瓶内液氮完全蒸发后，立即往PET瓶内倒入溶剂，并轻微晃动；
步骤五、分散：将PET瓶放入冰水浴中，超声处理，得到稳定的小尺寸石墨烯分散液。
进一步的，步骤一中所述石墨烯的片径为30nm～10μm，厚度为0.33nm～5nm。
进一步的，步骤二中将PET瓶放入液氮罐内，静置时间为10～720min。
进一步的，步骤二中将PET瓶放入液氮罐内，静置时间为60～720min。
进一步的，步骤二中将PET瓶放入液氮罐内，静置时间为720min。
进一步的，步骤四所述溶剂为蒸馏水、乙醇、甲酰胺、甲醇、乙酸、丙酮、四氢呋喃、三氯甲烷、苯、甲苯、煤油、N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或两种以上的混合物。
进一步的，步骤四所述溶剂与石墨烯的质量比为(9～10000):1。
进一步的，步骤五所述超声处理的超声波功率为200～2000W，工作频率为10～40KHz，超声处理时长为5～120min。
进一步的，步骤五所述超声处理的超声波功率为2000W，工作频率为40KHz，超声处理时长为120min。
一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其有益效果在于：
一、本发明是一种快速、便捷制备石墨烯分散液的方法，能够在较短的时间内完成石墨烯分散液的制备过程，所得的石墨烯分散液具有非常好的分散稳定性；
二、本发明方法在实施过程中，不需要添加任何分散剂、增粘剂等化学助剂，并且能够有效地去除石墨烯中的残留水，能够得到无杂质的石墨烯分散液；
三、本发明方法仅使用少量液氮便能实施，且在超低温环境下，能够完全将石墨烯片层展开，防止片层的再次团聚；此外，在超低温处理过程中，能够有效、可控地改变石墨烯的片径，且在分散液中不会发生二次团聚；
四、本发明方法对分散溶剂具有普适性，任何溶剂均可以通过本发明方法制备其的稳定的石墨烯分散液。
具体实施方式
实施例1
超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，包括如下步骤：
一、预处理：将5g石墨烯装入上部开口的PET瓶内，并倒入液氮以完全浸没石墨烯，后在室温静置，至瓶内液氮完全蒸发；其中，石墨烯的片径为30nm～10μm，厚度为0.33nm～5nm均可。
二、超低温处理：再次往PET内倒入液氮至完全浸没石墨烯，然后将PET瓶放入液氮罐内，放置10min；
三、干燥：从液氮罐中取出PET瓶放置于室温中，使瓶内液氮完全蒸发；
四、混合：待液氮完全蒸发后，立即往PET瓶内倒入495g蒸馏水，并轻微晃动；
五、分散：将PET瓶放入冰水浴中，超声(200W,20KHz)处理10min，便得稳定的小尺寸石墨烯分散液。
实施例2
超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，包括如下步骤：
一、预处理：将5g石墨烯装入上部开口的PET瓶内，并倒入液氮以完全浸没石墨烯，后在室温静置，至瓶内液氮完全蒸发；其中，石墨烯的片径为30nm～10μm，厚度为0.33nm～5nm均可。
二、超低温处理：再次往PET内倒入液氮至完全浸没石墨烯，然后将PET瓶放入液氮罐内，放置10min；
三、干燥：从液氮罐中取出PET瓶放置于室温中，使瓶内液氮完全蒸发；
四、混合：待液氮完全蒸发后，立即往PET瓶内倒入995g乙醇，并轻微晃动；
五、分散：将PET瓶放入冰水浴中，超声(200W,20KHz)处理10min，便得稳定的小尺寸石墨烯分散液。
实施例3
超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，包括如下步骤：
一、预处理：将5g石墨烯装入上部开口的PET瓶内，并倒入液氮以完全浸没石墨烯，后在室温静置，至瓶内液氮完全蒸发；其中，石墨烯的片径为30nm～10μm，厚度为0.33nm～5nm均可。
二、超低温处理：再次往PET内倒入液氮至完全浸没石墨烯，然后将PET瓶放入液氮罐内，放置10min；
三、干燥：从液氮罐中取出PET瓶放置于室温中，使瓶内液氮完全蒸发；
四、混合：待液氮完全蒸发后，立即往PET瓶内倒入495g N-甲基吡咯烷酮，并轻微晃动；
五、分散：将PET瓶放入冰水浴中，超声(200W,20KHz)处理10min，便得稳定的小尺寸石墨烯分散液。
实施例4
超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，包括如下步骤：
一、预处理：将5g石墨烯装入上部开口的PET瓶内，并倒入液氮以完全浸没石墨烯，后在室温静置，至瓶内液氮完全蒸发；其中，石墨烯的片径为30nm～10μm，厚度为0.33nm～5nm均可。
二、超低温处理：再次往PET内倒入液氮至完全浸没石墨烯，然后将PET瓶放入液氮罐内，放置60min；
三、干燥：从液氮罐中取出PET瓶放置于室温中，使瓶内液氮完全蒸发；
四、混合：待液氮完全蒸发后，立即往PET瓶内倒入495g蒸馏水，并轻微晃动；
五、分散：将PET瓶放入冰水浴中，超声(200W,20KHz)处理10min，便得稳定的小尺寸石墨烯分散液。
实施例5
超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，包括如下步骤：
一、预处理：将5g石墨烯装入上部开口的PET瓶内，并倒入液氮以完全浸没石墨烯，后在室温静置，至瓶内液氮完全蒸发；其中，石墨烯的片径为30nm～10μm，厚度为0.33nm～5nm均可。
二、超低温处理：再次往PET内倒入液氮至完全浸没石墨烯，然后将PET瓶放入液氮罐内，放置720min；
三、干燥：从液氮罐中取出PET瓶放置于室温中，使瓶内液氮完全蒸发；
四、混合：待液氮完全蒸发后，立即往PET瓶内倒入495g蒸馏水，并轻微晃动；
五、分散：将PET瓶放入冰水浴中，超声(200W,20KHz)处理10min，便得稳定的小尺寸石墨烯分散液。
实施例6
超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，包括如下步骤：
一、预处理：将5g石墨烯装入上部开口的PET瓶内，并倒入液氮以完全浸没石墨烯，后在室温静置，至瓶内液氮完全蒸发；其中，石墨烯的片径为30nm～10μm，厚度为0.33nm～5nm均可。
二、超低温处理：再次往PET内倒入液氮至完全浸没石墨烯，然后将PET瓶放入液氮罐内，放置720min；
三、干燥：从液氮罐中取出PET瓶放置于室温中，使瓶内液氮完全蒸发；
四、混合：待液氮完全蒸发后，立即往PET瓶内倒入495g蒸馏水，并轻微晃动；
五、分散：将PET瓶放入冰水浴中，超声(2000W,40KHz)处理120min，便得稳定的小尺寸石墨烯分散液。
本发明所得石墨烯分散液中石墨烯片径分布的结果如表1所示：
表1
从表1可知，通过控制样品在液氮中的放置时长、超声功率和时间，能够有效、稳定的改变石墨烯的片径；此外，从表1可知，各实施例的D10、D50和D90(分别指石墨烯的累计粒度分布分别达到10％、50％和90％时所对应的粒径)数值相差不大，表明通过本发明方法得到的石墨烯分散液中石墨烯片径均匀、一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、预处理：将石墨烯装入上部开口的PET瓶内，并倒入液氮以完全浸没石墨烯，后在室温静置，至瓶内液氮完全蒸发；
步骤二、超低温处理：再次往PET瓶内倒入液氮至完全浸没石墨烯，然后将PET瓶放入液氮罐内，静置；
步骤三、干燥：从液氮罐中取出PET瓶放置于室温中，使PET瓶内液氮完全蒸发；
步骤四、混合：待步骤四中PET瓶内液氮完全蒸发后，立即往PET瓶内倒入溶剂，并轻微晃动；
步骤五、分散：将PET瓶放入冰水浴中，超声处理，得到稳定的小尺寸石墨烯分散液。
2.根据权利要求1所述的一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤一中所述石墨烯的片径为30nm～10μm，厚度为0.33nm～5nm。
3.根据权利要求1所述的一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤二中将PET瓶放入液氮罐内，静置时间为10～720min。
4.根据权利要求1所述的一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤二中将PET瓶放入液氮罐内，静置时间为60～720min。
5.根据权利要求1所述的一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤二中将PET瓶放入液氮罐内，静置时间为720min。
6.根据权利要求1所述的一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤四所述溶剂为蒸馏水、乙醇、甲酰胺、甲醇、乙酸、丙酮、四氢呋喃、三氯甲烷、苯、甲苯、煤油、N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或两种以上的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤四所述溶剂与石墨烯的质量比为(9～10000):1。
8.根据权利要求1所述的一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤五所述超声处理的超声波功率为200～2000W，工作频率为10～40KHz，超声处理时长为5～120min。
9.根据权利要求1所述的一种超低温制备小尺寸石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤五所述超声处理的超声波功率为2000W，工作频率为40KHz，超声处理时长为120min。
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