專利名稱：一種石墨烯均勻分散液的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是納米新材料技術領域，具體是一種石墨烯均勻分散液的制備方法。
背景技術：
從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，就一直備受來自物理和材料領域研究者的普遍青睞。石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶格結構碳質材料。盡管石墨烯只有一個碳原子層厚度，并且是已知材料中最薄的一種，然而卻非常牢固堅硬。石墨烯同時也是目前已知導電性最出色的材料。此外，石墨烯還有許多優(yōu)異的性能，如高熱導率、巨大的比表面積等等。由于石墨烯的特殊性能，它在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學、傳感器、儲能等方面有廣泛的應用前景。為了將石墨烯應用在上述領域，首先要解決的問題是能夠制備出聞質量的石墨稀以及實現(xiàn)大規(guī)1旲生廣。石墨烯材料的制備方法主要有微機械剝離法(膠帶法)、氧化-還原法、化學氣相沉積法(CVD)等，其中膠帶法由于能獲得純度和結構完整性最佳的石墨烯，在微結構和導電、導熱性能等基礎研究中得到廣泛應用，但這種方法產率極低。氧化-還原法能夠批量生廣石墨稀材料，雖然這種石墨稀材料表面含氧基團(如輕基、環(huán)氧基、竣基和擬基等)無法徹底消除，影響其導電性能，但適合用于制備輕質、高強度的聚合物復合材料。由于氧化階段使用發(fā)煙硫酸、硝酸、高錳酸鉀等強氧化劑，還原階段使用了水合肼、金屬鈉和鉀、對苯二酚、硼氫化鈉等有毒、易燃易爆強還原劑，這種方法在規(guī)模生產過程中將遇到嚴重的廢水處理、防火防爆等問題，同時工序復雜與原料價格高也將使生產成本面臨挑戰(zhàn)。CVD法可以較大面積(厘米尺度)的制備單層或低層數(shù)石墨烯材料，在器件制造方面具有很大的應用潛力，但石墨烯薄膜尺寸仍然受制于過渡金屬襯底(Cu，Ni，Ru等)的尺寸，而且膜轉移工藝復雜，如何保持產品性能的穩(wěn)定性將是器件批量制造的關鍵。從工業(yè)生產的可行性考慮，石墨烯材料的生產方法需要具備低成本、無污染、工藝簡單、可連續(xù)批量生產等特點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的問題，提供一種操作簡單、成本低廉、易于大量制備石墨烯的方法。本發(fā)明以石墨原料粉在高溫高壓環(huán)境下在表面活性劑水溶液中熱剝離制備石墨烯。本發(fā)明的步驟為(I)按照O. 2 20g/L的濃度配制表面活性劑水溶液；(2)將石墨原料粉與表面活性劑水溶液按I 100g/L濃度進行混合，形成懸浮液， 并加入帶有攪拌裝置的高壓反應釜；(3)調節(jié)反應釜攪拌轉速為50 300rpm，調節(jié)釜內溫度100 300°C，反應釜內對應的絕對壓強為O. I 8. 6MPa，在高溫高壓環(huán)境下對石墨原料粉保溫處理5 24小時后取出漿料；(4)對衆(zhòng)料進行高速離心分離，離心轉速為1000 2000rpm,離心15 45min使得未剝離的石墨顆粒或層數(shù)多的石墨烯通過離心力作用沉淀，上層溶液即是單層和數(shù)層石墨烯的混合分散液。本發(fā)明所述的石墨原料粉為人工合成石墨粉、天然石墨粉、高溫熱解石墨粉或可膨脹石墨粉。本發(fā)明所述的表面活性劑為聚醚P-123，聚山梨酯-80，聚乙二醇辛基苯基醚 X-100。聚乙烯吡咯烷酮，聚山梨酯-85，十二烷基苯磺酸鈉，十二烷基硫酸鈉，脫氧膽酸鈉等非離子和陰離子表面活性劑。木發(fā)明所述的制備裝置為帶攪拌的高壓反應釜。本發(fā)明的優(yōu)點是1、原材料價格低廉；表面活性劑可循環(huán)利用，可實現(xiàn)低成本、連續(xù)、大批量規(guī)模生產；2、生產過程中無廢水、廢氣排放，使用的原材料無腐蝕性、毒害或易燃易爆品；3、未使用強氧化劑，不對石墨烯導電共軛結構產生巨大破壞，可用于制備高導電性能的功能材料；4、制備的石墨烯分散液剝離良好，分散性和穩(wěn)定性優(yōu)異。


圖I為石墨粉XRD圖；圖2為實例I中制備的石墨烯的XRD圖；圖3為實例I中制備的石墨烯的TEM照片；圖4為對比例I中未完全剝離開的石墨粉的TEM照片。圖5為本專利實施的流程圖
具體實施例方式實施例I取Ig可膨脹石墨粉，加入IOOOmL O. 2g/L的聚山梨酯-80水溶液中，將高壓反應釜升溫至200°C，保持攪拌轉速200rpm進行水熱保溫處理6小時，然后漿液IOOOrpm離心分離20min，獲得上層溶液即為石墨烯分散液。該分散液室溫下靜置2小時無沉降現(xiàn)象，表明穩(wěn)定性良好。圖1、2中002和004峰為石墨化特征峰，石墨烯的002和004峰強度相對石墨降低很多說明石墨被有效剝離層數(shù)降低；在石墨烯的XRD圖中10. 6°位置未出現(xiàn)氧化石墨的001特征峰說明氧化程度小表面共軛結構破壞少。實施例2取IOg高溫熱解石墨粉，加入IOOOmL 2g/L的十二烷基苯磺酸鈉水溶液中，將高壓反應釜升溫至160°C，保持攪拌轉速180rpm進行水熱保溫處理10小時，然后漿液1500rpm 離心分離40min，獲得上層溶液即為石墨烯分散液，該分散液室溫下靜置2小時無沉降現(xiàn)象，表明穩(wěn)定性良好。所得產品XRD圖與實施例I相似，石墨烯的002和004峰強度相對比石墨降低很多，10. 6°位置未出現(xiàn)氧化石墨的001特征峰。實施例3取IOOg可膨脹石墨粉，加入IOOOmL 20g/L的聚醚P-123水溶液中，將高壓反應釜升溫至180°C，保持攪拌轉速160rpm進行水熱處理16小時，然后漿液2000rpm離心分離
430min，獲得上層溶液即為石墨烯分散液，室溫下靜置2小時無沉降現(xiàn)象，表明分散液穩(wěn)定性良好。所得產品XRD圖與實施例I相似，石墨烯的002和004峰強度相對比石墨降低很多，10. 6°位置未出現(xiàn)氧化石墨的001特征峰。對比例I取IOg高溫熱解石墨粉，加入IOOOmL水中，將密閉反應釜升溫至160°C，保持攪拌轉速180rpm進行水熱處理10小時,然后衆(zhòng)液1500rpm離心分離40min。該分散液室溫下靜置2小時沉降明顯。對比例2取Ig可膨脹石墨粉，加入IOOOmL O. 2g/L的聚山梨酯-80水溶液中，在室溫下保持攪拌轉速200rpm進行處理6小時,然后衆(zhòng)液IOOOrpm離心分離20min。該分散液室溫下靜置2小時沉降明顯。對比例3取IOg高溫熱解石墨粉，加入IOOOmL 2g/L的四丁基氟化銨水溶液中，將高壓反應釜升溫至160°C，保持攪拌轉速ISOrpm進行水熱保溫處理10小時，然后漿液1500rpm離心分離40min，該分散液室溫下靜置2小時沉降明顯。以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據(jù)權利要求范圍來確定其技術性范圍。
權利要求
1.一種石墨烯均勻分散液的制備方法，其步驟為(1)配制表面活性劑水溶液，濃度為O.2 20g/L ；(2)將石墨原料粉與表面活性劑水溶液按I 100g/L濃度進行混合，形成懸浮液，并加入帶攪拌裝置的高壓反應釜；(3)調節(jié)反應釜轉速為50 300rpm，調節(jié)釜內溫度為100 300°C，反應釜內對應的絕對壓強為O. I 8. 6MPa。在高溫高壓環(huán)境下對石墨原料粉保溫處理5 24小時后取出漿料；(4)對衆(zhòng)料進行高速離心分離，離心轉速為1000 2000rpm,離心時間15 45min使得未剝離的石墨顆粒或層數(shù)多的石墨烯通過離心力作用而沉淀，上層溶液即是單層和數(shù)層石墨烯的分散液。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種石墨烯均勻分散液的制備方法，其特征是所述的石墨原料粉為人工合成石墨粉、天然石墨粉、高溫熱解石墨粉或可膨脹石墨粉。
3.根據(jù)權利要求I所述的均勻分散液的制備方法，其特征是表面活性劑為非離子和陰離子表面活性劑。
4.根據(jù)權利要求I所述的均勻分散液的制備方法，其特征是表面活性劑為聚醚P-123， 聚山梨酯-80，聚乙二醇辛基苯基醚X-100，聚乙烯吡咯烷酮，聚山梨酯-85，十二烷基苯磺酸鈉，十二烷基硫酸鈉，脫氧膽酸鈉。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石墨烯均勻分散液的制備方法，屬于納米新材料技術領域。其步驟為(1)配制0.2～20g/L濃度的表面活性劑水溶液；(2)將石墨原料粉與表面活性劑水溶液按1～100g/L濃度進行混合，形成懸浮液，并加入帶攪拌的高壓反應釜中；(3)調節(jié)高壓反應釜轉速50～300rpm，釜內溫度100～300℃對石墨原料粉保溫處理5～24小時后取出漿料；(4)漿料1000～2000rpm離心15～45min，上層溶液即是單層和數(shù)層石墨烯的分散液。本發(fā)明制備過程所使用的表面活性劑水溶液可循環(huán)使用、無廢氣排放；使用的原材料無腐蝕性、毒害，非易燃易爆品；本工藝不對石墨烯原生共軛結構產生巨大破壞；可實現(xiàn)低成本、大批量制備分散性和穩(wěn)定性優(yōu)異的石墨烯分散液。
文檔編號C01B31/04GK102583335SQ201210018109
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權日2012年1月19日
發(fā)明者何光裕, 孫小強, 席海濤, 施健, 李丹, 汪信, 陳海群, 馬凱 申請人:常州大學