CN110577214B - 液相自动分散石墨烯固体及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液相自动分散石墨烯固体及其制备方法和应用。具体地，所述石墨烯固体包含：1)石墨烯；和2)分散物质，所述分散物质用于在液相中分散所述石墨烯；其中，所述分散物质包括：第一物质、第二物质和任选的表面活性剂；并且，所述第一物质和所述第二物质在所述液相中可反应生成气体。本发明还公开了所述石墨烯固体的制备方法及其应用。所述石墨烯固体易于运输，且在使用时可简单快速高效地实现石墨烯的分散，故可显著推进石墨烯在工业中的应用。

Description

液相自动分散石墨烯固体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及纳米材料分散技术领域，具体地涉及液相自动分散石墨烯固体及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯，一种以sp2杂化方式结合的单层碳材料，呈蜂窝状六边形晶格结构。石墨烯以其载流子迁移率高、导热性好、机械强度高、比表面积大、化学稳定性好等一系列优越的物理化学性能，受到广泛关注。目前在工业中石墨烯主要作为功能填料，应用于涂料、复合材料等领域，实际使用过程中往往需要分散在溶剂中进行处理。由于石墨烯作为一种二维纳米材料，比表面积大，同时石墨烯片层之间存在较强的π-π相互作用，使得石墨烯在液相中的高效稳定分散始终存在问题。

常见石墨烯原料主要有石墨烯粉体和石墨烯分散液(浆料)两大类。石墨烯粉体在使用过程中，如须使其在液相中分散均匀，往往需要进行大功率、长时间的剪切搅拌或超声处理，这一工艺能耗巨大，同时伴随着噪声污染。而石墨烯分散液(浆料)在使用过程中虽然分散性好，但往往这类原料中实际石墨烯质量分数很低(<5％)，用于分散石墨烯的液体占据主要体积，严重提高运输成本，同时存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在液相体系中自分散的石墨烯固体及其制备方法和应用。

本发明的第一方面，提供了一种液相自动分散石墨烯固体，所述石墨烯固体包含：

1)石墨烯；和

2)分散物质，所述分散物质用于在液相中分散所述石墨烯；

其中，所述分散物质包括：第一物质、第二物质和任选的表面活性剂；

并且，所述第一物质和所述第二物质在所述液相中可反应生成气体。

在另一优选例中，所述第一物质为固体酸；和/或

所述第二物质为碳酸盐。

在另一优选例中，所述固体酸选自下组：柠檬酸、苹果酸、酒石酸、乳酸、氨基酸、葡萄糖酸、三氯乙酸、高碘酸、二硝基苯甲酸、乙二胺四乙酸、或其组合。

在另一优选例中，所述碳酸盐选自下组：碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸锌、碳酸钙、碳酸氢钙、碳酸锂、碳酸镁、碳酸铜、或其组合。

在另一优选例中，所述石墨烯选自下组：液相剥离法制备的石墨烯、机械剥离法制备的石墨烯、氧化还原法制备的石墨烯、化学气相沉积法制备的石墨烯、及它们的衍生物、或其组合。

在另一优选例中，所述表面活性剂选自下组：烷基苯磺酸盐类物质、烷基硫酸盐类物质、烷基铵盐类物质、聚氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、失水山梨醇脂肪酸酯(司盘)、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯(吐温)、聚醚多元醇(普兰尼克)、淀粉、纤维素、壳聚糖、或其组合。

在另一优选例中，所述石墨烯固体中，按质量百分比计，石墨烯的质量含量为5-80wt％，较佳地10－60wt％，更佳地12－30wt％。

在另一优选例中，所述石墨烯固体中，按质量百分比计，表面活性剂的质量含量为0－50wt％，较佳地3－40wt％，更佳地5－20wt％。

在另一优选例中，所述石墨烯固体中，所述第一物质和所述第二物质的摩尔比为0.05-10，较佳地0.1-8，更佳地0.15-6，最佳地0.18-4。

在另一优选例中，所述石墨烯固体中，所述石墨烯和所述第二物质的摩尔比为0.01－10，较佳地0.05－8，更佳地0.1－5，最佳地0.5－3。

在另一优选例中，所述液相为选自下组的溶剂：水、乙醇、丙酮、乙酸、二氯甲烷、甲苯、乙酸乙酯、石油醚、或其组合。

在另一优选例中，所述气体选自下组：二氧化碳、氢气、氧气、氮气、乙炔、氨气、或其组合。

在另一优选例中，所述石墨烯固体的形状为压片。

在另一优选例中，所述石墨烯固体具有以下特征：将所述石墨烯固体置于水中后，所得石墨烯分散液静置一周后，所述石墨烯仍可均匀稳定地分散于水中，无分层出现。

在另一优选例中，所述石墨烯固体是采用本发明第二方面所述的方法制备的。

本发明的第二方面，提供了一种本发明第一方面所述的石墨烯固体的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)提供石墨烯、第一物质、第二物质和任选的表面活性剂；

2)混合所述石墨烯、所述第一物质、所述第二物质和任选的所述表面活性剂，压片得到所述石墨烯固体。

在另一优选例中，在步骤2)之前还任选地包括如下步骤：将所述石墨烯和所述第一物质在第一溶液中通过搅拌和/或超声进行水相分散，去除固体沉淀，干燥上层液体，得到包含石墨烯和第一物质的粉末。

在另一优选例中，所述第一溶液包含水和任选的选自下组的组分：乙醇、丙酮、或其组合。

本发明的第三方面，提供了一种本发明第一方面所述的石墨烯固体的用途，用于制备选自下组的物质：涂料、复合材料、导电导热浆料、粘合剂。

本发明的第四方面，提供了一种制品，所述制品包含本发明第一方面所述的石墨烯固体或由本发明第一方面所述的石墨烯固体制成。

在另一优选例中，所述制品选自下组：涂料、复合材料、导电导热浆料、粘合剂。

本发明的第五方面，提供了一种使石墨烯液相自动分散的方法，包括步骤：

1)混合石墨烯、固体酸、碳酸盐和任选的表面活性剂，压片制得石墨烯固体；

2)将步骤1)所得石墨烯固体置于液相中，从而实现石墨烯的液相自动分散。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为实施例1所得石墨烯固体1的外观图片。

图2为实施例1所得石墨烯固体1在水中，随时间增加的分散情况，其中a为0s，b为5s，c为10s，d为30s，e为60s。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，意外地发现通过将石墨烯与可在液相体系下反应产生气体的第一物质和第二物质、任选的表面活性剂组合可获得一种可在液相中自分散的石墨烯固体。所述石墨烯固体在液相中无需额外处理，即可实现石墨烯的高效稳定分散，且所得石墨烯分散液具有优异的均匀性和稳定性。所述石墨烯固体的发现可显著促进石墨烯在工业领域的应用。所述石墨烯固体的制备方法具有工艺简单、安全、成本低、可大面积推广等特点。在此基础上，发明人完成了本发明。

石墨烯固体

在本发明中，石墨烯固体包括待分散的石墨烯和用于自动分散石墨烯的物质(简称“分散物质”)。石墨烯和分散物质均匀混合成固体，其中石墨烯的质量分数大于10％且小于80％，该范围对应于以下界限：在该界限内能够使固体内所有石墨烯在分散物质的作用下，无需额外能量，完全分散至液相体系中。用于自动分散石墨烯的分散物质是通过在溶剂中反应生成气体来对石墨烯产生剥离作用的。这一方法制得的石墨烯固体可以自动均匀分散在液相体系中，无需外界能量供应，可以替代现有的石墨烯粉体应用于涂料、导电导热浆料、粘合剂和复合材料等方面。

应理解，上述机理解释仅用于解释本发明但并不用于限制本发明。

在本发明中，所述石墨烯固体中，石墨烯和分散物质是通过物理方式或化学方式均匀混合在一起的。

当将所述石墨烯固体置于液相(如水)中时，所述固体在液相中的分散速率为0.1克每分钟每升溶剂-100克每分钟每升溶剂。

应理解，在本发明中，“石墨烯固体”和“液相自动分散石墨烯固体”可互换使用。

制备方法

在本发明中，所述石墨烯的种类、尺寸没有特别限定，可以使用本领域常规使用的石墨烯。典型地，所述石墨烯的片径尺寸为10nm-50μm，厚度尺寸为0.3nm-500nm。

在本发明中，还可直接采用石墨为原料，在液相环境中在表面活性剂的作用下通过超声剥离制得本发明所用的石墨烯。

典型地，所述方法包括如下步骤：

(1)将石墨或石墨烯、第一组分和任选的第三组分在溶剂中混合，超声搅拌均匀形成混合液；

(2)将(1)所得混合液离心或静置沉降，弃下层沉淀，取上层混合液；

(3)将(2)所得上层混合液脱除溶剂制成固体粉末；

(4)将(3)所得固体粉末与第二组分在干态下混合均匀，压片制成液相自动分散的石墨烯固体。

步骤(1)中所述溶剂选自下组：水、乙醇、丙酮、或其组合。

步骤(1)中所述石墨或石墨烯与溶剂的质量比为1:100-1:10000。

步骤(1)中所述石墨或石墨烯与第一组分的质量比为1:10-10:1。

步骤(1)中所述石墨或石墨烯与第三组分的质量比为1:10-10:1。

步骤(1)中所述超声功率为50-1000W，超声时间为1-240min。

步骤(1)中所述搅拌转速为10-600rpm，搅拌时间为1-240min。

步骤(2)中所述离心或静置时间为1-480min。

步骤(3)中所述脱除溶剂方法选自下组：冻干、烘干、晾干、抽滤、或其组合。

步骤(4)中所述固体粉末与第二组分的质量比为1:10-10:1。

步骤(4)中所述压片压力为0.1-10MPa，压片时间为1-600s。

与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：

(1)所述石墨烯固体在液相中可高效稳定分散；具体地，所得石墨烯分散液在静置一周后，其中的石墨烯仍可均匀稳定地分散在液相介质中；

(2)以所述石墨烯固体为石墨烯原料时，无需额外的超声、搅拌等机械分散工艺即可简单高效地实现石墨烯的均匀稳定分散；

(3)所述石墨烯固体以固相形式存在，其含有高质量分数的石墨烯，因此可显著降低运输成本并提高运输安全性。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例1石墨烯固体1

称量石墨烯2g、柠檬酸3g加入到100mL水、乙醇体积比为1:1的混合溶剂中，搅拌2h，超声2h。之后静置12h，取上层液体(去除体积较大的石墨烯，其含量约为1.5g)，烘干成粉末。将所得粉末与3g碳酸钠、1g聚乙烯基吡咯烷酮混合均匀，压片制成石墨烯固体1。压片压力为2MPa，压片时间为5min。

结果

图1为实施例1所得石墨烯固体1的外观图片。

从图1可看出：石墨烯粉末被压片成固体，表面呈灰黑色。

图2为实施例1所得石墨烯固体1在水中，随时间增加的分散情况，其中a为0s，b为5s，c为10s，d为30s，e为60s。

从图2可看出：石墨烯固体能够在水中自动分散，且自动分散效率比常规超声分散的效率高。

经换算可知：石墨烯固体1中，石墨烯的质量含量约为18wt％，柠檬酸的质量含量约为36wt％，碳酸钠的质量含量约为36wt％，聚乙烯基吡咯烷酮的质量含量约为10wt％。

实施例2石墨烯固体2

称量石墨烯3g、乙二胺四乙酸3g加入到100mL水、乙醇体积比为2:1的混合液中，搅拌2h，超声2h。之后静置16h，取上层液体，烘干成粉末。将所得粉末与4g碳酸氢钠、0.5g聚乙烯基吡咯烷酮混合均匀，压片制成石墨烯固体2。压片压力为2MPa，压片时间为5min。

结果

石墨烯固体2的外观和水分散结果与石墨烯固体1类似。

经测试，石墨烯固体2中，石墨烯的质量含量约为27wt％，乙二胺四乙酸的质量含量约为27wt％，碳酸氢钠的质量含量约为36wt％，聚乙烯基吡咯烷酮的质量含量约为10wt％。

实施例3石墨烯固体3

称量石墨烯5g、酒石酸3g加入到100mL水、乙醇体积比为3:1的混合液中，搅拌1h，超声3h。之后静置8h，取上层液体，烘干成粉末。将所得粉末与2g碳酸钙、1g聚氧乙烯混合均匀，压片制成石墨烯固体3。压片压力为3MPa，压片时间为3min。

结果

石墨烯固体3的外观和水分散结果与石墨烯固体1类似。

经测试，石墨烯固体3中，石墨烯的质量含量约为45wt％，酒石酸的质量含量约为27wt％，碳酸钙的质量含量约为18wt％，聚氧乙烯的质量含量约为10wt％。

实施例4石墨烯固体4

称量石墨烯5g、乳酸2g加入到200mL水、乙醇体积比为3:1的混合液中，搅拌3h，超声1h。之后以3000r/min速度离心30min，取上层液体，烘干成粉末。将所得粉末与2g碳酸钾、0.5g聚氧乙烯混合均匀，压片制成石墨烯固体4。压片压力为3MPa，压片时间为3min。

结果

石墨烯固体4的外观和水分散结果与石墨烯固体1类似。

经测试，石墨烯固体4中，石墨烯的质量含量约为50wt％，乳酸的质量含量约为20wt％，碳酸钾的质量含量约为20wt％，聚氧乙烯的质量含量约为10wt％。

实施例5石墨烯固体5(仅用水作为液相分散溶剂)

同实施例1，区别在于：不使用乙醇，仅用水作为液相分散溶剂。

石墨烯固体5的外观和水分散结果与石墨烯固体1类似。

实施例6石墨烯固体6(不含表面活性剂)

同实施例1，区别在于：不使用表面活性剂聚乙烯基吡咯烷酮。

石墨烯固体6的外观和水分散结果与石墨烯固体1类似。

实施例7石墨烯固体7(直接混合压片)

同实施例1，区别在于：不使用混合溶剂进行液相分散，直接固相混合石墨烯、柠檬酸、碳酸钠和聚乙烯基吡咯烷酮后进行压片处理。

石墨烯固体7的外观和水分散结果与石墨烯固体1类似。

对比例1石墨烯固体C1(石墨烯含量为90％)

同实施例1，区别在于：石墨烯用量为63g。

相比于石墨烯固体1，石墨烯固体C1中由于石墨烯含量过大，石墨烯固体C1内的分散物质反应产生的气体生成的气泡不足以撑开石墨烯使其崩解分散。

对比例2石墨烯固体C2(柠檬酸与碳酸钠的摩尔比为0.01)

同实施例1，区别在于：柠檬酸用量为1g，碳酸钠用量为100g。

相比于石墨烯固体1，石墨烯固体C1中由于固体酸和碳酸盐的摩尔比范围太小，导致分散过程中固体酸提前消耗完，不能持续产生气体分散石墨烯。

综上，在本发明中，发明人制备出一种可分散石墨烯固体。当该固体投入水中后，固体中包含的第一物质与第二物质发生反应，生成气体，促使石墨烯固体自发在水中分散。从而实现石墨烯自动均匀分散在液相中，无需额外能量供应。这一分散方法具备原料成本低，制备方法简单等优点，是石墨烯固体分散的一项优良选择。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种液相自动分散石墨烯固体，其特征在于，所述石墨烯固体包含：

1）石墨烯；和

2）分散物质，所述分散物质用于在液相中分散所述石墨烯；

其中，所述分散物质包括：第一物质、第二物质和任选的表面活性剂；

并且，所述第一物质和所述第二物质在所述液相中反应生成气体；

所述第一物质为固体酸；

所述第二物质为碳酸盐；

所述液相为水；

所述石墨烯固体中，按质量百分比计，石墨烯的质量含量为10-80wt%；

所述石墨烯固体中，所述第一物质和所述第二物质的摩尔比为0.18-4：1。

2.如权利要求1所述的石墨烯固体，其特征在于，所述固体酸选自下组：柠檬酸、苹果酸、酒石酸、乳酸、氨基酸、葡萄糖酸、三氯乙酸、高碘酸、二硝基苯甲酸、乙二胺四乙酸或其组合。

3.如权利要求1所述的石墨烯固体，其特征在于，所述石墨烯固体中，按质量百分比计，石墨烯的质量含量为10－60wt%。

4.如权利要求1所述的石墨烯固体，其特征在于，所述碳酸盐选自下组：碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸氢钙或其组合。

5.如权利要求1所述的石墨烯固体，其特征在于，所述石墨烯固体中，所述石墨烯和所述第二物质的摩尔比为0.5－3：1。

6.如权利要求1所述的石墨烯固体，其特征在于，所述气体为二氧化碳。

7.一种如权利要求1所述的石墨烯固体的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1）提供石墨烯、第一物质、第二物质和任选的表面活性剂；

2）混合所述石墨烯、所述第一物质、所述第二物质和任选的所述表面活性剂，压片得到所述石墨烯固体。

8.一种如权利要求1所述的石墨烯固体的用途，其特征在于，用于制备选自下组的物质：涂料、导电导热浆料或粘合剂。

9.一种涂料、导电导热浆料或粘合剂，其特征在于，包含权利要求1所述的石墨烯固体或由权利要求1所述的石墨烯固体制成。

10.一种使石墨烯固体液相自动分散的方法，其特征在于，包括步骤：

1）混合石墨烯、固体酸、碳酸盐和任选的表面活性剂，压片制得石墨烯固体；

2）将步骤1）所得石墨烯固体置于液相中，在液相中反应生成气体，从而实现石墨烯的液相自动分散；

所述液相为水；

所述石墨烯固体中，按质量百分比计，石墨烯的质量含量为10-80wt%；

所述石墨烯固体中，所述固体酸和所述碳酸盐的摩尔比为0.18-4：1。

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