CN111232966A - 一种石墨烯分散液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一实施方式提供了一种石墨烯分散液及其制备方法，该石墨烯分散液包括石墨烯、分散剂和水，所述分散剂选自阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂中的一种或多种。本发明一实施方式的石墨烯分散液，制备工艺简单，单分散性好，储存稳定性高。

Description

一种石墨烯分散液及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯分散液，具体为一种可用于水性涂料的石墨烯分散液。
背景技术
石墨烯是一种新型的二维材料，它是由碳原子以SP2杂化轨道组成的，呈蜂巢状晶格结构。石墨烯内部碳原子中每个碳原子上都有一个位于Pz轨道上的未成键的电子，临近碳原子的Pz轨道在垂直方向上可形成离域大π键，因此具有优异的电学和光学性能。其在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(V·S)，是目前已知载流子迁移率最高的物质的两倍以上。石墨烯的理论杨氏模量为1.0TPa，拉伸强度130GPa，是已知强度最高的材料，且具有良好的柔韧性。单层石墨烯的理论导热系数为5300W/mK，远高于碳纳米管，是碳材料中导热系数最高的。基于其优异的物理化学性质，石墨烯可广泛应用于涂料、复合材料、航空航天、新能源电池等领域。
石墨烯虽然具有很多优良的性质，但是由于其片层之间有较强的π-π作用力，使得单层的石墨烯很容易团聚，重新形成石墨，严重影响了其性能。由于涂料中树脂具有较高的粘度，若直接将石墨烯加入到其中，树脂有可能会包覆在团聚了的石墨烯的表面，不利于其分散。因此，制备出具有良好分散性能的石墨烯分散液，再加入到涂料中，有利于最大程度的防止石墨烯的团聚，使其在涂料中应用时尽可能的还原其原始状态，发挥其优异的性能。由于石墨烯疏水疏油的特殊结构，必须将其改性才可以将其稳定的分散在水中。
发明内容
本发明的一个主要目的在提供一种石墨烯分散液，包括石墨烯、分散剂和水，所述分散剂选自阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂中的一种或多种。
本发明一实施方式提供了一种石墨烯分散液的制备方法，包括：
提供一石墨烯分散液组合物；以及
将所述石墨烯分散液组合物通过分散设备处理，制得所述石墨烯分散液；
其中，所述石墨烯分散液组合物包括石墨烯、分散剂和水，所述分散剂选自阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂中的一种或多种；
所述分散设备选自超声细胞破碎机、高压均质机、砂磨机、球磨机、高速剪切乳化机中的一种或多种。
本发明一实施方式的石墨烯分散液，制备工艺简单，单分散性好，储存稳定性高。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的石墨烯分散液的透射电子显微镜图片；
图2为本发明实施例1制备的石墨烯分散液的粒度分布图片；
图3为本发明实施例1制备的石墨烯水性涂料的细度图片。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
本发明一实施方式提供了一种石墨烯分散液，包括石墨烯、分散剂和水，该分散剂选自阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂中的一种或多种。
本发明一实施方式的石墨烯分散液，通过加入表面活性剂，使其与石墨烯之间通过分子间作用力结合在一起，从而使得石墨烯片层之间由于静电斥力或者是空间位阻作用而不易于团聚。
本发明一实施方式的石墨烯分散液，可用于水性涂料，例如聚氨酯、丙烯酸酯、环氧树脂等多种涂料体系，并可应用于导静电、防腐、散热等各个领域。
于一实施方式中，阴离子型表面活性剂可以是十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠等。
于一实施方式中，阳离子型表面活性剂可以是十六烷基三甲基溴化铵、聚丙烯酰胺等。
于一实施方式中，非离子型表面活性剂可以是聚乙烯醇、羟甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚烷氧基醚酯等。
于一实施方式中，聚烷氧基醚酯可以是聚氧丙烯醚琥珀酸单酯磺酸盐。
于一实施方式中，用作分散剂的聚合物的重均分子量可以是8000～100000，例如10000、15000、20000、30000、50000、60000、80000等。
于一实施方式中，分散剂可以是十二烷基苯磺酸钠、羟甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
于一实施方式的石墨烯分散液中，石墨烯的浓度为0.1～150mg/ml，优选为10～50mg/ml，例如0.5mg/ml、1mg/ml、2mg/ml、5mg/ml、10mg/ml、15mg/ml、20mg/ml、30mg/ml、50mg/ml、70mg/ml、75mg/ml、80mg/ml、100mg/ml、120mg/ml、140mg/ml等。
于一实施方式的石墨烯分散液中，石墨烯与分散剂的质量比为(0.1～5):1，优选为(0.5～3):1，例如0.2:1、0.5:1、1:1、2:1、2.5:1、3:1、4:1等。
于一实施方式中，石墨烯可通过机械剥离法、电化学剥离法、还原氧化法、化学气相沉积法等制得。
于一实施方式的石墨烯分散液中，石墨烯的层数可以为1～10层，例如2层、5层、6层、8层等；石墨烯的比表面积可以为100～1000m2/g，优选为200～600m2/g，例如120m2/g、150m2/g、200m2/g、250m2/g、300m2/g、500m2/g、800m2/g等；石墨烯的片径大小可以为1～30μm，进一步可以为3～15μm，例如2μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm、25μm、28μm等。
于一实施方式的石墨烯分散液中，粒子的平均粒径D50可以为0.3μm≤D50≤5μm，优选为0.3μm≤D50≤3μm，例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm等。
本发明一实施方式提供了一种石墨烯分散液的制备方法，包括：
提供一石墨烯分散液组合物；以及
将石墨烯分散液组合物通过分散设备处理，制得石墨烯分散液；
其中，石墨烯分散液组合物包括石墨烯、分散剂和水，分散剂选自阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂中的一种或多种；分散设备选自超声细胞破碎机、高压均质机、砂磨机、球磨机、高速剪切乳化机中的一种或多种。
于一实施方式中，分散设备的处理时间可以为20～500分钟，优选为30～120分钟，例如30分钟、60分钟、90分钟、100分钟、120分钟、150分钟、180分钟、200分钟、210分钟、240分钟、270分钟、300分钟、400分钟、450分钟等。
于一实施方式中，超声细胞破碎机的功率可以为100～2000W，例如150W、200W、300W、500W、800W、1000W、1200W、1500W、1800W等。
于一实施方式中，高压均质机的处理压力可以为20～200mPa，例如30mPa、50mPa、80mPa、100mPa、120mPa、150mPa、180mPa等。
于一实施方式中，高速剪切乳化机的剪切速率可以为500～5000rpm/min，例如600rpm/min、800rpm/min、1000rpm/min、1200rpm/min、1500rpm/min、2000rpm/min、2500rpm/min、3000rpm/min、3500rpm/min、4000rpm/min、4500rpm/min等。
于一实施方式中，砂磨机和/或球磨机选用的研磨介质可以为玻璃珠、钢珠、硅酸锆珠、氧化锆珠中的一种或多种；研磨介质的直径可以为0.3～5.0mm，进一步可以为0.5～2.0mm，例如0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.5mm、3mm、4mm等；研磨介质的珠料比可以为0.5～5，进一步可以为1～3，例如0.8、1、1.5、2、2.5、3、4等；砂磨机和/或所述球磨机的转速可以为200～3000rpm/min，进一步可以为500～2000rpm/min，例如300rpm/min、500rpm/min、800rpm/min、1000rpm/min、1200rpm/min、1500rpm/min、2000rpm/min、2500rpm/min等。
于一实施方式中，将经分散设备处理后的石墨烯分散液进行离心处理，例如可以是以3000rpm离心10分钟，其中，离心液与初始分散液中石墨烯的固含量比值在0.7～0.99之间，例如0.75、0.8、0.9、0.95等。
本发明一实施方式的石墨烯分散液，通过非共价改性的方式对石墨烯进行改性，制备工艺简单，单分散性好，储存稳定性高，适用于工业化生产。该分散液可与聚氨酯、丙烯酸酯、环氧树脂等多种涂料体系复配，可应用于导静电、防腐、散热等各个领域。
以下结合附图及具体实施例对本发明一实施方式的石墨烯分散液及其制备方法进行进一步说明。其中，如无特别说明，所使用的原料均为市售获得。
实施例1
称取980g去离子水于2L烧杯中，开启磁力搅拌，然后边搅拌边加入10g聚乙烯吡咯烷酮K15，待全部溶解后，边搅拌边加入10g石墨烯粉体，石墨烯的层数为3～6，比表面积为400～500m2/g，片径为1～5μm，得到石墨烯预分散液。
在砂磨机中装入2公斤1mm的氧化锆珠，将搅拌均匀的石墨烯预分散液置于砂磨机进料口，出料口放置一个2L的烧杯用于承接物料。开启砂磨机，分别于500rpm/min分散10min、1000rpm/min分散10min、2000rpm/min分散10min，得到石墨烯分散液。用透射电镜观察所得石墨烯分散液的分散状态，用激光粒度仪统计其粒径分布图及平均粒径，相关结果参见图1、2。
将所得到的石墨烯分散液用离心机在3000rpm/min的条件下离心10min，收集离心液。用热失重法在氮气氛围下分别测定离心前后分散液中石墨烯的质量分数，由此可以计算得到石墨烯分散液的离心收率。实施例1中石墨烯分散液离心前的质量分数为1.04％，离心后为0.98％，由此可计算得到离心收率＝0.98/1.04*100％＝94.2％，充分表明石墨烯分散液的单分散性好，储存稳定性高。
将所得的石墨烯分散液以0.5wt％的比例加入到装有水性环氧防腐涂料的塑料罐中，得到石墨烯水性环氧防腐涂料，用刮板细度计测定其细度，其细度在25μm以下，相关结果参加图3。
实施例2
称取980g去离子水于2L烧杯中，开启磁力搅拌，然后边搅拌边加入10g十二烷基苯磺酸钠，待全部溶解后，边搅拌边加入10g石墨烯粉体，石墨烯的层数为3～6，比表面积为400～500m2/g，片径为1～5μm，得到石墨烯预分散液。
在砂磨机中装入2公斤1mm的氧化锆珠，将搅拌均匀的石墨烯预分散液置于砂磨机进料口，出料口放置一个2L的烧杯用于承接物料。开启砂磨机，分别于500rpm/min分散10min、1000rpm/min分散10min、2000rpm/min分散10min，得到石墨烯分散液。
将所得到的石墨烯分散液用离心机在3000rpm/min的条件下离心10min，收集离心液。用热失重法在氮气氛围下分别测定离心前后分散液中石墨烯的质量分数，由此可以计算得到石墨烯分散液的离心收率。实施例2中石墨烯分散液离心前的质量分数为1.04％，离心后为0.72％，由此可计算得到离心收率＝0.98/1.04*100％＝69.2％。
除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种石墨烯分散液，包括石墨烯、分散剂和水，所述分散剂选自阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的石墨烯分散液，其中，所述阴离子型表面活性剂包括十二烷基硫酸钠和/或十二烷基苯磺酸钠；所述阳离子型表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵和/或聚丙烯酰胺；所述非离子型表面活性剂包括聚乙烯醇、羟甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚烷氧基醚酯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯分散液，其中，所述石墨烯的浓度为0.1～150mg/ml。
4.根据权利要求1所述的石墨烯分散液，其中，所述石墨烯与所述分散剂的质量比为(0.1～5):1。
5.根据权利要求1所述的石墨烯分散液，其中，粒子的平均粒径D50介于0.3～5μm之间。
6.根据权利要求1所述的石墨烯分散液，其中，所述石墨烯的层数为1～10，比表面积为100～1000m2/g，片径为1～30μm。
7.一种石墨烯分散液的制备方法，包括：
提供一石墨烯分散液组合物；以及
将所述石墨烯分散液组合物通过分散设备处理，制得所述石墨烯分散液；
其中，所述石墨烯分散液组合物包括石墨烯、分散剂和水，所述分散剂选自阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂中的一种或多种；
所述分散设备选自超声细胞破碎机、高压均质机、砂磨机、球磨机、高速剪切乳化机中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述分散设备的处理时间为20～500分钟。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述超声细胞破碎机的功率为100～2000W，所述高压均质机的处理压力为20～200mPa，所述高速剪切乳化机的剪切速率为500～5000rpm/min。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述砂磨机和/或所述球磨机选用的研磨介质为玻璃珠、钢珠、硅酸锆珠、氧化锆珠中的一种或多种；所述研磨介质的直径为0.3～2.0mm，珠料比为0.5～5；所述砂磨机和/或所述球磨机的转速为200～3000rpm/min。
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