CN105731440A - 一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法。该方法以石墨为原料,通过利用硼酸对石墨粉改性,使相转变材料在熔化状态下***石墨层间,利用相转变材料由液体相转变为固体相发生体积收缩形成的微缺陷,使石墨层间拉开,进一步,在冷冻条件下机械剪切剥离,相转变材料在冷冻条件下晶粒脆化使石墨层瞬间剥离,从而获得石墨烯微片,大幅降低石墨烯微片的成本,使石墨烯微片在橡胶、塑料、涂料、润滑油、污水处理等复合材料可以大量添加使用。本发明制备方法易于控制,可实现规模化稳定生产,生产过程使用的辅助材料容易清洗并结晶析出后重复利用,实现了无污染制备石墨烯微片,有利于推动石墨烯的大规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯材料领域,具体涉及石墨烯微片的制备方法,特别是涉及一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法。
背景技术
石墨烯理论上讲是专指由单个碳原子组成的片状物质。目前,最简单的方法是通过机械分离法,直接将石墨烯薄片从较大的石墨晶体上剪裁下来。也可以通过膨化、摩擦使石墨的表面产生絮片,在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是上述方法获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片,其尺寸不易控制,无法可靠地制造稳定的石墨烯片。
先进的石墨烯制备方法主要采取气相沉积法,利用气态碳源在高温下分解后在基体表面上的催化生长制备得到石墨烯,该方法是制备高质量和大面积单层石墨烯的重要方法。但是其生产条件较为苛刻,耗能大,成本高。而且,直接采用气体碳源很大程度上增加了生产的危险性。
国内目前主要采用氧化石墨还原法为制备石墨烯的主要方法,该方法是将石墨进行强氧化处理,得到氧化石墨后,再对其进行剥离制备氧化石墨烯,最后经过还原处理得到石墨烯。中国发明专利200810151807.X将氧化石墨在高真空下以一定升温速率升温至150~600℃,维持恒温0.5~20H,得到氧化石墨烯片。由于在强氧化过程中会严重破坏石墨烯片层的结构,虽然经过还原处理,石墨烯片层的电子共轭结构得到部分恢复,所得石墨烯材料的各项性能指标仍与高质量的石墨烯存在较大的差距。此外,石墨的氧化过程通常需要大量的强酸性氧化剂如浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等,而且还原过程中有需要高温处理或使用水合肼、硼氢化钠等有毒的化学物质,不仅能耗大,效率低,成本高而且污染环境。
机械剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法。为了使石墨层间发生剥离,机械物理剥离法常用的剥离手段有常规球磨、搅拌球磨、研磨等。然而借助磨球对石墨粉体研磨,这种方法由于局部施加压力大,强大的冲击力会使石墨烯产生结构缺陷。中国发明专利申请号201280019582.7公开了一种制备石墨烯的方法,通过研磨、球磨、气流磨等借助离子液体研磨4个小时获得石墨烯。借助离子液促进了石墨的剥离,但采用长时间的研磨获得的石墨烯晶体尺寸小,而且借助离子液会使石墨烯层晶格受到影响。
实际上,单层石墨烯的制备目前还停留在以克为单位的少量制备上,大规模工业化生产还没有人能做到。但同时,石墨烯优异的性能急需在复合材料、润滑材料、涂料、污水处理等领域大量应用,而现有技术难以满足这种大规模的需求。因此以石墨烯为单元的石墨烯微片成为石墨烯由研究向应用进入的最佳选择。石墨烯微片,即为多层石墨烯结构,但石墨烯的特性,比如导电、导热、透光、柔软性等得到很好保持,可以作为一种工业原材料广泛地添加到现有的各种基础材料中,对现有材料的性能进行改进。为了得到石墨烯微片,中国发明专利申请号201310579504.9公开了一种高比表面积、尺寸可控的石墨烯微片制备方法,该方法以大粒径可膨胀石墨为原料,高温下制备高膨胀倍率膨胀石墨;以有机物为插层物,共混***膨胀石墨片层中,在一定氛围下高温燃烧,膨胀剥离获得一定尺寸的石墨烯微片。然而,在氧化石墨的热膨胀过程中,需要较高的负压环境来实现氧化石墨的成功膨胀,其条件较苛刻,对设备的要求极高,无法连续生产,难以放大,制约石墨烯微片的发展。
石墨烯微片由于其拥有的优良特性,其应用领域非常广阔,譬如提高塑胶的导热及散热性能,塑胶导电及抗静电改性,增强塑胶的强度,和改善塑胶的耐磨、润滑性能及耐腐蚀性等。由于具有纳米厚度,容易与其它材料如聚合物材料均匀复合,并形成良好的复合界面,石墨烯微片可以将石墨烯的高强度、润滑、耐高温以及导电特性带到复合材料当中,从而可以设计、制备高性能复合材料。如石墨烯塑料、石墨烯橡胶、石墨烯导电油墨、石墨烯涂料、石墨烯吸波隐形功能板、石墨烯散热器件、石墨烯功能涂层等都是很好的应用。我们期望在不损伤石墨烯层晶体结构的条件下实现高效剥离石墨来制备石墨烯微片,从而为大规模化应用石墨烯提供技术支撑。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法。该方法利用相变材料由液体相转变为固体相发生体积收缩形成的微缺陷,在冷冻条件下机械剪切剥离获得石墨烯微片,大幅降低石墨烯微片的成本,使石墨烯微片在橡胶、塑料、涂料、润滑油、污水处理等复合材料可以大量添加使用。
为解决上述问题,本发明采用以下技术方案:
一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,其特征在于:以相转变材料为插层剂,将插层剂置于石墨粉层间,利用相转变材料由液体相转变为固体相发生体积收缩形成的微缺陷,通过机械剪切剥离获得石墨烯微片,具体方法如下:
(1)将石墨粉与无水甲醇或无水乙醇按质量1:10-30,在室温条件下搅拌30-45min混合均匀,加入硼酸搅拌至硼酸完全溶解,封闭放置24h以上,离析出无水甲醇或无水乙醇,干燥,得到预处理石墨粉,其中硼酸的加入量为石墨粉质量的3-5%;
(2)将相转变材料在40-60℃条件下加热至完全熔化,将步骤(1)得到的预处理石墨粉加入完全熔化的相转变材料中,以200-800r/min的转速高速搅拌分散1-2h,使相转变材料***石墨的层间,自然冷却至室温,其中预处理石墨粉与相转变材料的质量比为1:0.1-0.5;相转变材料为室温时为结晶状固相,40-60℃条件下为液相的相变材料;
(3)将步骤(2)得到的插层石墨加入到机械剪切剥离装置中,通过液氮输入保持在低于-15℃的低温条件下,剥离至薄片厚度小于50nm范围内,然后出料;
(4)将步骤(3)得到的物料在清洗机中用无离子水、乙醇进行清洗,除脱硼酸、相转变材料,干燥,得到石墨烯微片。
所述的相变材料在固相时为结晶状,优选正葵酸、月桂酸、肉豆蔻酸中的一种。
所述的相变材料为水合盐。
所述的水合盐为三水醋酸钠、五水硫代硫酸钠、十二水磷酸氢二钠、十水硫酸钠中的一种,在40-60℃时呈熔融状态,与石墨的层件极易结合,而在室温时,水合盐由于相转变向晶体转变,发生体积收缩,从而在石墨层间产生微缺陷,进一步由于水合盐晶体在低温时易发生脆化,因而在低于-15℃的低温条件下,通过机械剪切剥离装置即可使石墨剥离成为石墨烯微片。
所述的机械剪切剥离装置为常规的介质研磨机如搅拌球磨机、行星式球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、砂磨机,或者气流粉碎机如扁平式气流粉碎机、循环管式气流粉碎机、旋喷式气流粉碎机、喷射式气流粉碎机、靶式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机、对撞式气流粉碎机,或者高压磨辊。
石墨粉层间的范德华力使得石墨层间难以顺利的剥离,通过在层间插层可以有效降低范德华力,然而这种插层仍然是难以分离石墨层的。尽管目前已有有机或无机插层剂,但效果并不理想,特别是难以量产制备石墨烯微片。本发明突出的特点是提出一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,该方法以石墨为原料,通过利用硼酸对石墨粉改性,使相变材料在熔化状态下***石墨层间,利用相变材料由液体相转变为固体相发生体积收缩形成的微缺陷,使石墨层间拉开,进一步,在冷冻条件下利用机械剪切剥离,相变材料为结晶状,具有脆性,在冷冻条件下晶粒脆化使石墨层瞬间剥离,从而获得石墨烯微片。进一步,本发明采用硼酸、相变材料作为制备助剂,容易清洗并结晶析出后重复利用,实现了无污染制备石墨烯微片。
本发明一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,实现了规模化生产石墨烯微片,大幅降低石墨烯微片的成本,石墨烯微片具有纳米厚度,容易与其它材料如聚合物材料均匀复合,并形成良好的复合界面;具有优良的导电、润滑、耐腐蚀、耐高温等特性。可在橡胶、塑料、涂料、润滑油、污水处理等复合材料中大量添加使用。
通过对本发明制备方法获得的石墨烯微片测试,其厚度在15-50nm范围内,呈石墨烯层状堆积体。将石墨烯微片按照纳米填料的使用规范,以3%的质量分数填充分散于ABS树脂中,其复合材料的电导率达到2.6×10-4S/cm。
本发明一种利用相转材料变剥离制备石墨烯微片的方法,与现有技术相比,其突出的特点和优异的效果在于:
1、利用硼酸对石墨粉改性,使相变材料在熔化状态下***石墨层间,利用相转变材料由液体相转变为固体相发生体积收缩形成的微缺陷,使石墨层间拉开,使石墨变为由石墨烯单元堆积的石墨烯微片。
2、在冷冻条件下机械剪切剥离,相转变材料在冷冻条件下晶粒脆化使石墨层瞬间剥离,从而获得石墨烯微片。
3、本发明制备方法易于控制,可实现规模化稳定生产,生产过程使用的辅助材料容易清洗并结晶析出后重复利用,实现了无污染制备石墨烯微片,生产投入小、成本低、具有显著的市场应用价值。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,具体方法如下:
(1)将石墨粉与无水乙醇按质量1:30,在室温条件下搅拌45min混合均匀,加入硼酸搅拌至硼酸完全溶解,封闭放置24h以上,离析出无水乙醇,干燥,得到预处理石墨粉,其中硼酸的加入量为石墨粉质量的4%;
(2)将三水醋酸钠在40℃条件下加热至完全熔化,将步骤(1)得到的预处理石墨粉加入完全熔化的三水醋酸钠,以500r/min的转速高速搅拌分散2h,使三水醋酸钠***石墨的层间,自然冷却至室温,其中预处理石墨粉与三水醋酸钠的质量比为1:0.4;
(3)将步骤(2)得到的插层石墨加入到搅拌球磨机剥离装置中,通过液氮输入保持在低于-15℃的低温条件下,剥离至薄片厚度小于50nm范围内,然后出料;
(4)将步骤(3)得到的物料在清洗机中用无离子水进行清洗,除脱硼酸、三水醋酸钠,干燥,得到石墨烯微片。
实施例2
一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,具体方法如下:
(1)将石墨粉与无水甲醇按质量1:10,在室温条件下搅拌30min混合均匀,加入硼酸搅拌至硼酸完全溶解,封闭放置24h以上,离析出无水甲醇,干燥,得到预处理石墨粉,其中硼酸的加入量为石墨粉质量的5%;
(2)将十水硫酸钠在60℃条件下加热至完全熔化,将步骤(1)得到的预处理石墨粉加入完全熔化的十水硫酸钠,以200r/min的转速高速搅拌分散2h,使十水硫酸钠***石墨的层间,自然冷却至室温,其中预处理石墨粉与十水硫酸钠的质量比为1:0.5;
(3)将步骤(2)得到的插层石墨加入到循环管式气流粉碎机剪切剥离装置中,通过液氮输入保持在低于-15℃的低温条件下,剥离至薄片厚度小于50nm范围,然后出料;
(4)将步骤(3)得到的物料在清洗机中用无离子水进行清洗,除脱硼酸、十水硫酸钠,干燥,得到石墨烯微片。
实施例3
一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,具体方法如下:
(1)将石墨粉与无水乙醇按质量1:15,在室温条件下搅拌45min混合均匀,加入硼酸搅拌至硼酸完全溶解,封闭放置24h以上,离析出无水乙醇,干燥,得到预处理石墨粉,其中硼酸的加入量为石墨粉质量的3%;
(2)将五水硫代硫酸钠在50℃条件下加热至完全熔化,将步骤(1)得到的预处理石墨粉加入完全熔化的五水硫代硫酸钠中,以800r/min的转速高速搅拌分散1h,使五水硫代硫酸钠***石墨的层间,自然冷却至室温,其中预处理石墨粉与五水硫代硫酸钠的质量比为1:0.3;
(3)将步骤(2)得到的插层石墨加入到靶式气流粉碎机机械剪切剥离装置中,通过液氮输入保持在低于-15℃的低温条件下,剥离至薄片厚度小于50nm范围内,然后出料;
(4)将步骤(3)得到的物料在清洗机中用无离子水进行清洗,除脱硼酸、五水硫代硫酸钠,干燥,得到石墨烯微片。
实施例4
一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,具体方法如下:
(1)将石墨粉与无水甲醇按质量1:30,在室温条件下搅拌30min混合均匀,加入硼酸搅拌至硼酸完全溶解,封闭放置24h以上,离析出无水甲醇,干燥,得到预处理石墨粉,其中硼酸的加入量为石墨粉质量的3%;
(2)将十二水磷酸氢二钠在60℃条件下加热至完全熔化,将步骤(1)得到的预处理石墨粉加入完全熔化的十二水磷酸氢二钠中,以400r/min的转速高速搅拌分散1.5h,使十二水磷酸氢二钠***石墨的层间,自然冷却至室温,其中预处理石墨粉与十二水磷酸氢二钠的质量比为1:0.1;
(3)将步骤(2)得到的插层石墨加入到高压磨辊机械剪切剥离装置中,通过液氮输入保持在低于-15℃的低温条件下,剥离至薄片厚度小于50nm范围内,然后出料;
(4)将步骤(3)得到的物料在清洗机中用无离子水进行清洗,除脱硼酸、十二水磷酸氢二钠,干燥,得到石墨烯微片。
实施例5
一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,具体方法如下:
(1)将石墨粉与无水甲醇按质量1:30,在室温条件下搅拌30min混合均匀,加入硼酸搅拌至硼酸完全溶解,封闭放置24h以上,离析出无水甲醇,干燥,得到预处理石墨粉,其中硼酸的加入量为石墨粉质量的3%;
(2)将肉豆蔻酸在60℃条件下加热至完全熔化,将步骤(1)得到的预处理石墨粉加入完全熔化的肉豆蔻酸中,以400r/min的转速高速搅拌分散1.5h,使肉豆蔻酸***石墨的层间,自然冷却至室温,其中预处理石墨粉与肉豆蔻酸的质量比为1:0.1;
(3)将步骤(2)得到的插层石墨加入到旋喷式气流粉碎机机械剪切剥离装置中,通过液氮输入保持在低于-15℃的低温条件下,剥离至薄片厚度小于50nm范围内,然后出料;
(4)将步骤(3)得到的物料在清洗机中用无离子水、乙醇进行清洗,除脱硼酸、肉豆蔻酸,干燥,得到石墨烯微片。
实施例6
一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,具体方法如下:
(1)将石墨粉与无水甲醇按质量1:10,在室温条件下搅拌30min混合均匀,加入硼酸搅拌至硼酸完全溶解,封闭放置24h以上,离析出无水甲醇,干燥,得到预处理石墨粉,其中硼酸的加入量为石墨粉质量的5%;
(2)将月桂酸在60℃条件下加热至完全熔化,将步骤(1)得到的预处理石墨粉加入完全熔化的月桂酸,以200r/min的转速高速搅拌分散2h,使月桂酸***石墨的层间,自然冷却至室温,其中预处理石墨粉与月桂酸的质量比为1:0.5;
(3)将步骤(2)得到的插层石墨加入到循环管式气流粉碎机剪切剥离装置中,通过液氮输入保持在低于-15℃的低温条件下,剥离至薄片厚度小于50nm范围,然后出料;
(4)将步骤(3)得到的物料在清洗机中用无离子水、乙醇进行清洗,除脱硼酸、月桂酸,干燥,得到石墨烯微片。
Claims (7)
1.一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,其特征在于:以相转变材料为插层剂,将插层剂置于石墨粉层间,利用相转变材料由液体相转变为固体相发生体积收缩形成的微缺陷,通过机械剪切剥离获得石墨烯微片,具体方法如下:
(1)将石墨粉与无水甲醇或无水乙醇按质量1:10-30,在室温条件下搅拌30-45min混合均匀,加入硼酸搅拌至硼酸完全溶解,封闭放置24h以上,离析出无水甲醇或无水乙醇,干燥,得到预处理石墨粉,其中硼酸的加入量为石墨粉质量的3-5%;
(2)将相转变材料在40-60℃条件下加热至完全熔化,将步骤(1)得到的预处理石墨粉加入完全熔化的相转变材料中,以200-800r/min的转速高速搅拌分散1-2h,使相转变材料***石墨的层间,自然冷却至室温,其中预处理石墨粉与相转变材料的质量比为1:0.1-0.5;相转变材料为室温时为结晶状固相,40-60℃条件下为液相的相变材料;
(3)将步骤(2)得到的插层石墨加入到机械剪切剥离装置中,通过液氮输入保持在低于-15℃的低温条件下,剥离至薄片厚度小于50nm范围内,然后出料;
(4)将步骤(3)得到的物料在清洗机中用无离子水、乙醇进行清洗,除脱硼酸、相转变材料,干燥,得到石墨烯微片。
2.根据权利要求1所述一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,其特征在于:所述的相变材料为正葵酸、月桂酸、肉豆蔻酸中的一种。
3.根据权利要求1所述一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,其特征在于:所述的相变材料为水合盐。
4.根据权利要求3所述一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,其特征在于:所述的水合盐为三水醋酸钠、五水硫代硫酸钠、十二水磷酸氢二钠、十水硫酸钠中的一种。
5.根据权利要求1所述一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,其特征在于:所述的机械剪切剥离装置为搅拌球磨机、行星式球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机或者砂磨机。
6.根据权利要求1所述一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,其特征在于:所述的机械剪切剥离装置为扁平式气流粉碎机、循环管式气流粉碎机、旋喷式气流粉碎机、喷射式气流粉碎机、靶式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机或者对撞式气流粉碎机。
7.根据权利要求1所述一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法,其特征在于:所述的机械剪切剥离装置为高压磨辊。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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