CN112142042B - 一种生物质石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物质石墨烯的制备方法，生物质石墨烯按质量比为：生物质植物秸秆果壳树脂150份、a‑呋喃甲醇30份、谷物油酸6份和氨基磺酸3份。制备过程为：⑴原料在反应釜预热30～35℃；⑵升温45～50℃，反应1～2小时；⑶升温80～140℃，保温2～3小时；⑷升温160～200℃，固化后取出固化物；⑸固化物到碳化炉碳化32～48小时，升温1800～2600℃进行石墨化；⑹降温至30～40℃，取出碳化物进行超声分层喷出粉末即为生物质石墨烯。本发明充分利用了生物质植物秸秆果壳树脂新材料，优化了制备工艺条件，生产出的生物质石墨烯具有良好的力学和热稳定性能，广泛用于隔热材料等，扩大了石墨烯的用途。

Description

一种生物质石墨烯的制备方法
技术领域
本发明属于化学品生产技术领域，涉及一种石墨烯，具体涉及一种生物质石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维材料，单层石墨烯厚度只有0.335nm，具有超大的比表面积、接触的导电和导热性能，同时作为添加剂提升不同材料的性能，被认为是一种未来革命性的材料。现有石墨烯制备方法多种多样，但是具有工艺复杂、生产效率低、生产成本高等问题，很难实现工业化生产。
六边或五边型网状二维三维石墨烯具有特殊的物理机械性能，具有比六边二维石墨烯更好的抗断裂性能和回弹韧性，以及抗负荷能力，可应用于隔热材料和缓冲材料。具有碳量子点及优越的发光性能，可应用于轻质半导体薄膜器件电子和机械器件及应变放大器件等用途。石墨烯具有一个大的内带隙，因而不需要像碳六元环二维石墨烯那样通过化学或物理的修饰来打开带隙。六边或五边型网状二维三维碳晶体，可用作5G智能终端、5G基站，柔性显示基板，柔性太阳能电池基板及碳量子体结构。生物质石墨烯不仅可以卷成以六边或五边碳环为结构基元的半导体碳纳米管，而且还可以堆叠成稳定的三维碳块体结构，且这种三维碳材料具有比碳六元环更大的带隙和较大的体弹性。
目前国际国内有关石墨烯报导及各种制做方法较多，在生产中都存在很多问题如生产成本高，环境污染等。申请号为201610068409.6的中国发明专利公开了一种功能化石墨烯及制备方法和用其阻燃的交联型聚氨酯硬质泡沫，该申请中对一种由磷氯化合物、含环氧结构单体、酚类单体于无水条件下反应所得产物接枝氧化石墨烯而制得功能化石墨烯进行了报道，将其加入聚氨酯硬泡后，因其分散性好，能更好地发挥其作为本质型阻燃剂的作用。但在上述方法中的功能化石墨烯仅能分散于几种特定有机溶剂，使用过程中使用大量有机溶剂，存在环境污染问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质石墨烯的制备方法，充分利用生物质植物秸秆果壳树脂新材料，优化制备工艺条件，减少环境污染，生产出性能良好的石墨烯，扩大石墨烯的用途。
本发明的技术方案是：生物质石墨烯的制备方法，生物质石墨烯按质量比为：生物质植物秸秆果壳树脂150份、a-呋喃甲醇30份、谷物油酸(pH值4～5)，4～8份氨基磺酸(含量99％)2～4份。生物质石墨烯制备过程为：
⑴原料按质量比加入到反应釜预热到30～35℃，经过预聚合反应开始生成醇类聚物；
⑵在酸性条件下靠自发热进一步升温到40～45℃，加热升温到45～50℃反应1～2小时，保温1～2小时；
⑶升温到80～140℃，保温2～3小时；
⑷在升温到160～200℃，保温12～18小时，等固化后取出固化物；
⑸将固化物在放入高温碳化炉，升温960～1260℃，碳化32～48小时；再升温1800～2600℃进行石墨化，保温1～3小时；
⑹降温至30～40℃，取出碳化物进行超声分层喷出粉末，即得成品生物质石墨烯。
生物质植物秸秆果壳树脂为植物秸秆果壳经水解制得的呋喃类树脂。生物质石墨烯粉末的平均粒径为0.031nm～560nm。生物质石墨烯用生产隔热材料和缓冲材料、轻质半导体薄膜器件电子和机械器件及应变放大器件，也可用于生产做量子碳化合物膜，作5G智能终端、5G基站、柔性显示基板、柔性太阳能电池基板及碳量子体结构。
本发明生物质石墨烯的制备方法充分利用了生物质植物秸秆果壳树脂新材料，优化了制备工艺条件，生产出的生物质石墨烯具有良好的力学性能和热稳定性，能承受高达3800℃以上的高温，广泛用于隔热材料、缓冲材料、半导体材料和电器材料等，扩大了石墨烯的用途。本发明的制备方法不使用有机溶剂，减少和避免了环境污染的问题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。本实发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
本发明生物质石墨烯的制备方法，生物质石墨烯按质量比为：生物质植物秸秆果壳树脂150份、a-呋喃甲醇30份、谷物油酸(pH值4～5)，6份氨基磺酸(含量99％)3份。生物质植物秸秆果壳树脂为植物秸秆果壳经水解制得的呋喃类树脂。生物质石墨烯制备过程为：
⑴原料按重量加入到反应釜里预热到32～33℃，经过预聚合反应开始生成醇类聚物；
⑵在酸性条件下靠自发热进一步升温到45℃，加热升温到50℃，反应2小时，保温2小时；谷物油酸PH值在4～4.5，氨基磺酸PH值在2～3，由于两种酸存在，自然形成酸性条件；
⑶升温到120℃，保温2小时；
⑷在升温到180℃，保温16小时，等固化后取出固化物；
⑸将固化物在放入高温碳化炉，升温1200℃碳化40小时，再升温2400℃进行石墨化，保温3小时；
⑹降温至35℃，取出碳化物进行超声分层喷出粉末，即得成品生物质石墨烯，生物质石墨烯粉末的平均粒径为0.05nm～100nm
本发明制备的生物质石墨烯的质量检验结果如表1所示。
表1.生物质石墨烯的质量检验结果
Figure BDA0002765310470000031
Figure BDA0002765310470000041
生物质石墨烯属于低结晶碳是制做锂电池电极很好的材料，新型生物质石墨烯中嵌入锂，锂离子可很快插层到微晶层中和之间的开孔中，增加了电池可逆容量。新型生物质石墨烯以其独特的二维及三维使之具有更为丰富的微观结构，较大的表面积，广泛用于发热涂料、新型高温发热膜。具有较高的孔隙率，便于电解液对电极的浸渍渗透和电子的传输，电解液的流动有利于电解液和电极之间形成双电层。使电极材料与电解液充分接触，减小了离子扩散距离和扩散阻力，同时提供了导电网络结构，使电子在整个电极内得以快速传输。新型生物质石墨烯具有比金属氧化物更高的电子导电性，广泛用于铅碳电池，作正负极集流器，代替传统的铅合金铅酸电池。与普通铅酸电池相比可缩小50％的体积、减轻60％的质量，集流体的表面积增加6倍，活性物质的利用率提高到80％～90％。可以抑制硫酸盐化，热膨胀系数小，且具有导热、导电、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和耐磨损的优点，加工性优良，可挤压成型各种型状的电极板。

Claims (3)

1.一种生物质石墨烯的制备方法，其特征是：所述生物质石墨烯按质量比为：生物质植物秸秆果壳树脂150份、a-呋喃甲醇30份、谷物油酸4～8份、氨基磺酸2～4份；所述生物质石墨烯制备过程为：
⑴将原料按质量比加入到反应釜里预热到30～35℃，经过预聚合反应开始生成醇类聚物；
⑵在酸性条件下靠自发热升温到40～45℃，加热升温到45～50℃，反应1～2小时，保温1～2小时；
⑶升温到80～140℃，保温2～3小时；
⑷升温到160～200℃，保温12～18小时，固化后取出固化物；
⑸将固化物在放入高温碳化炉，升温960～1260℃碳化32～48小时；再升温1800～2600℃进行石墨化，保温1～3小时；
⑹降温至30～40℃，取出碳化物进行超声分层喷出粉末，即得成品生物质石墨烯；
所述生物质植物秸秆果壳树脂为植物秸秆果壳经水解制得的呋喃类树脂。
2.根据权利要求1所述的生物质石墨烯的制备方法，其特征是：所述生物质石墨烯粉末的平均粒径为0.031nm～560nm。
3.根据权利要求1所述的生物质石墨烯的制备方法，其特征是：所述生物质石墨烯用于生产隔热材料和缓冲材料、轻质半导体薄膜器件电子和机械器件及应变放大器件，或用于生产做量子碳化合物膜，用作5G智能终端、5G基站、柔性显示基板、柔性太阳能电池基板及碳量子体结构。
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