CN113213464A - 一种纺丝级单层氧化石墨烯浆料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纺丝级单层氧化石墨烯浆料的制备方法。该方法首先用稀硫酸对鳞片石墨进行轻微插层，在石墨层间保留一定的水，用来跟二氧化硫反应生成亚硫酸。亚硫酸与氧化剂之间的快速反应有助于将氧化剂引入到石墨烯的层间，快速实现对石墨的氧化，同时最大程度上得到大片的单层氧化石墨烯，有利于得到更高强度的石墨烯纤维。稀释过程中，采用乙醇代替双氧水与过量的氧化剂反应，生成乙酸，避免了这一问题的产生。本发明得到的纺丝级单层氧化石墨烯浆料，单层率≥99.5%，含氧量≥40%，具有更好的纺丝加工性，及更强的氢键，可实现制造可逆融合‑裂变的氧化石墨烯纤维，具有极高的科研价值。

Description

一种纺丝级单层氧化石墨烯浆料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纺丝级单层氧化石墨烯浆料的制备方法。

背景技术

氧化石墨烯是石墨烯的一种重要前驱体，其最重要的用途之一即湿法方式制成氧化石墨烯纤维，经进一步热处理成为石墨烯基碳纤维，被认为是可以绕过国外技术封锁突破碳纤维制造技术瓶颈的方法。最新发现的氧化石墨烯纤维的可逆融合-裂变性能更是要求氧化石墨烯浆料具有更高的单层率，更高的含氧量，更有的加工性能。传统氧化石墨烯的制备方法已经不能满足此应用场景的需求，亟待发展新的制备方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种纺丝级单层氧化石墨烯浆料的制备方法。

本发明考虑到工业浓硫酸中含有一定量的二氧化硫等杂质，因此首先用稀硫酸对鳞片石墨进行轻微插层，在石墨层间保留一定的水，用来跟二氧化硫反应，变成亚硫酸。亚硫酸与氧化剂之间的快速反应有助于将氧化剂引入到石墨烯的层间，快速实现对石墨的氧化，同时减少了氧化剂在进入片层之间时，对石墨的割裂作用，最大程度上得到大片的单层氧化石墨烯，有利于得到更高强度的石墨烯纤维。其次，稀释过程中，采用双氧水去除过量氧化剂时，会产生大量的气体，对单层氧化石墨烯片产生冲击，导致尺寸变小。本发明采用乙醇代替双氧水与过量的氧化剂反应，生成乙酸，避免冲击。

具体的，本发明采用如下技术方案：

(1)将1重量份的天然鳞片石墨加入到100~150重量份浓度为5wt%~20wt%的稀硫酸中，在搅拌的同时辅助超声0.5~1.5 h。

(2)将步骤1所得的反应液转移至气浮机中进行气浮，设置浮选机转速1500~2000r/min，刮泡时间6-8min，单位面积充气量0.25-0.3 m³/(m²·min)，浮选出微插层石墨。

(3)向1重量份微插层石墨中加入30~50重量份浓度为98wt%的浓硫酸，搅拌条件下冷却至0℃后，加入1~2重量份高锰酸钾，加料完成后室温搅拌反应5~10h。

(4)在搅拌条件下将步骤3所得反应液倒入130~500重量份质量分数为0.1wt%-5wt%乙醇水溶液中进行稀释。

(5)将步骤4所得反应液转移至气浮机中进行气浮，设置浮选机转速1800~2500r/min，刮泡时间8~10min，单位面积充气量0.3~0.35 m³/(m²·min)，将不能浮选出的物料洗涤至中性，得到纺丝级单层氧化石墨烯浆料。

进一步地，所述乙醇溶液浓度为2wt%。

进一步地，所述的洗涤采用离心、过滤、透析、沉降、浮选等方法中的一种或多种。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1.采用低成本、高杂质的工业硫酸制造出高单层率，高加工性能的纺丝级单层氧化石墨烯浆料。

2.工艺更安全，避免使用双氧水这一高风险的原料。

3.低氧化剂使用量，实现高氧化单层氧化石墨烯浆料

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的内容做出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围。

实施例1：

stp1. 将1重量份的天然鳞片石墨加入到100重量份浓度为5wt%的稀硫酸中，在搅拌的同时辅助超声0.5h。

stp 2. 将步骤1所得的反应液转移至气浮机中进行气浮，设置浮选机转速1500r/min，刮泡时间6 min，单位面积充气量0.25 m³/(m²·min)，浮选出微插层石墨。

stp 3. 向1重量份微插层石墨中加入30重量份浓度为98%的浓硫酸，搅拌条件下冷却至0℃后，加入1重量份高锰酸钾，加料完成后室温搅拌反应5 h。

stp 4. 反应完成后，在搅拌条件下将步骤3所得反应液倒入130重量份浓度为0.1wt%的乙醇溶液中进行稀释。

stp 5. 将步骤4所得反应液转移至气浮机中进行气浮，设置浮选机转速1800 r/min，刮泡时间8 min，单位面积充气量0.3 m³/(m² ·min)，将不能浮选出的物料洗涤至中性，得到纺丝级单层氧化石墨烯浆料。

本方法得到的纺丝级单层氧化石墨烯浆料单层率达到99.5%以上，含氧量达到40%以上，平均尺寸为30微米以上。

实施例2：

stp 1. 将1重量份的天然鳞片石墨加入到150重量份浓度为20wt%的稀硫酸中，在搅拌的同时辅助超声1.5 h。

stp 2. 将步骤1所得的反应液转移至气浮机中进行气浮，设置浮选机转速2000r/min，刮泡时间8 min，单位面积充气量0.3 m³/(m²·min)，浮选出微插层石墨。

stp 3. 向1重量份微插层石墨中加入50重量份浓度为98%的浓硫酸，搅拌条件下冷却至0℃后，加入2重量份高锰酸钾，加料完成后室温搅拌反应10h。

stp 4. 反应完成后，在搅拌条件下将步骤3所得反应液倒入500重量份浓度为5wt%乙醇溶液中进行稀释。

stp 5. 将步骤4所得反应液转移至气浮机中进行气浮，设置浮选机转速2500r/min，刮泡时间10 min，单位面积充气量0.35 m³/(m²·min)，将不能浮选出的物料洗涤至中性，得到纺丝级单层氧化石墨烯浆料。

本方法得到的纺丝级单层氧化石墨烯浆料单层率达到99.5%以上，含氧量达到40%以上，平均尺寸为30微米以上。

实施例3：

stp 1. 将1重量份的天然鳞片石墨加入到120重量份浓度为10wt%的稀硫酸中，在搅拌的同时辅助超声1 h。

stp 2. 将步骤1所得的反应液转移至气浮机中进行气浮设置浮选机转速1800r/min，刮泡时间7 min，单位面积充气量0.28 m³/(m²·min)，浮选出微插层石墨。

stp 3. 向1重量份微插层石墨中加入40重量份浓度为98%的浓硫酸，搅拌条件下冷却至0℃后，加入1~2重量份高锰酸钾，加料完成后室温搅拌反应8 h。

stp 4. 反应完成后，在搅拌条件下将步骤3所得反应液倒入300重量份浓度为2wt%乙醇溶液中进行稀释。

stp 5. 将步骤4所得反应液转移至气浮机中进行气浮，设置浮选机转速2300r/min，刮泡时间9 min，单位面积充气量0.32 m³/(m²·min)，将不能浮选出的物料洗涤至中性，得到纺丝级单层氧化石墨烯浆料。

本方法得到的纺丝级单层氧化石墨烯浆料单层率达到99.5%以上，含氧量达到40%以上，平均尺寸为30微米以上。

对比例1

本实施例同实施例1，区别在于，本实施例步骤4采用了浓度为28%的双氧水进行稀释。

所得到的产品的平均尺寸为20微米，单层率为99.5%，含氧量为40%。

对比例2

本实施例同实施例1，区别在于，本实施例步骤1采用了不同浓度的硫酸，分别为25wt%、30wt%，40wt%，并分别得到样品1~3。

样品1~3单层率依次为99%、99.2%、99%，含氧量依次为38.2%、37.6%、37.1%，平均尺寸分别为17.3微米、18.6微米、18.2微米。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种纺丝级单层氧化石墨烯浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将1重量份的天然鳞片石墨加入到100~150重量份浓度为5wt%~20wt%的稀硫酸中，在搅拌的同时辅助超声0.5~1.5 h;

(2)将步骤1所得的反应液转移至气浮机中进行气浮，浮选出微插层石墨;

(3)向1重量份微插层石墨中加入30~50重量份浓度为98wt%的浓硫酸，搅拌条件下冷却至0℃后，加入1~2重量份高锰酸钾，加料完成后室温搅拌反应5~10h;

(4)在搅拌条件下将步骤3所得反应液倒入130~500重量份质量分数为0.1wt%-5wt%乙醇水溶液中进行稀释;

(5)将步骤4所得反应液转移至气浮机中进行气浮，得到纺丝级单层氧化石墨烯浆料。

2.根据权利要求1所述的纺丝级单层氧化石墨烯浆料的制备方法，其特征在于，所述乙醇溶液浓度为2wt%。

3.根据权利要求1所述的纺丝级单层氧化石墨烯浆料的制备方法，其特征在于，所述的洗涤采用离心、过滤、透析、沉降、浮选等方法中的一种或多种。