CN106009787B - 一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，本发明步骤包括石墨烯材料预浸润，初级分散，真空超声二次分散，最后在本法涉及的稳定化电场装置中，通过电场稳定化处理而获得石墨烯水性分散液。此方法制备的石墨烯分散液固含量为0.1 wt%‑10 wt%；具有无需添加分散助剂，工序可连续化，制备的浆料可在常温常压环境中保存六个月以上而不发生明显沉降的优势。本发明具有无需引入外来非石墨烯杂质，分散液使用范围广；分散程度高、工艺简单、绿色、稳定性好的优点。

Description

一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法及装置
技术领域
本发明属于石墨烯材料分散技术领域，具体涉及一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法及装置。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子经过sp2杂化相互键合而构成的二维单片层状结构的新材料，其基本结构单元为稳定的苯六元环，其理论单层厚度仅为0.35nm，是目前所发现的最薄二维材料。石墨烯是构成其他石墨材料的基本结构单元，可以翘曲形成零维富勒烯、卷曲形成一维碳纳米管、堆叠形成三维石墨或金刚石。这种特殊的结构赋予其独特而神奇的物理化学特性，如石墨烯材料具有高达≥2630m2/g的超高理论比表面积；常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍；石墨烯的热导率可达5000W·m-1·K-1，是金刚石的3倍；电阻率只有约10-6Ω·cm；另外还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁效应等特殊性质，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，被业界视为引领产业革命的关键材料，在移动设备、航天航空、新能源电池等领域拥有广阔的应用前景，目前，国内石墨烯规模化制备技术日趋成熟，但产业化进程发展缓慢。从宏观现象来看是由于石墨烯粉体的体密度极低，在加工中易漂浮，二次加工性能差；与基体材料相容性差，不利于其分散，严重阻碍了其纳米特性的发挥。从应用角度来看，均一稳定，宽浓度范围的石墨烯分散液是其在催化、储能、涂料、复合材料等领域广泛应用的前提条件和关键技术。为此，相关研究和工程技术人员先后开发了石墨烯浆料或分散液，然而，从目前效果来看，石墨烯在液体(水性溶剂或油性溶剂)中的分散性很不理想，易团聚、快沉降、低浓度等缺陷凸显。从石墨烯内在结构特性来看，是由于石墨烯特有的纳米效应、高比表面积、高吸附等特性，决定了其极易发生堆叠团聚且已成为制约其快速发展的瓶颈，因此分散成为提高产品(材料)质量和性能、提高工艺效率不可或缺的技术手段。
为了突破这一瓶颈技术，已采用了石墨烯表面改性分散、石墨烯液相剥离等技术来获取石墨烯分散液。石墨烯的分散方法主要包括物理分散和化学分散两大类。物理法如球磨、砂磨、研磨、机械搅拌、超声振荡等；化学法包括表面活性剂改性、溶剂PH值调整、石墨烯接枝改性、石墨烯掺杂等方法。美国Stanford大学戴宏杰团队最早在DMF中，用四丁基溴化季铵盐作为插层剂，采用液相剥离方法获得了石墨烯分散液(Li X，Zhang G，Bai X，etal.Highly conducting graphenesheets and Langmuir-Blodgett films.NatureNanotechnology，2008，3(9)：538-542)。Lotya M等通过在水中加入十二烷基磺酸钠的表面活性剂，通过液相剥离的方法获得了浓度为0.1mg/mL的石墨烯分散液(LotyaM,HernandezY,King P J,etal.Liquid phase production of grapheme by exfoliationof graphite in surfactant/water solutions.JournalofAmericanChemistrySociety,2009,131(10):3611–3620.)。M.C.Hersam等在乙醇中得到了1mg/mL的石墨烯分散液(LiangY,Hersam M C.Highly concentrated graphene solutions via polymerenhancedsolvent exfoliation and iterative solvent exchange.Journal ofAmericanChemistry Society,2010,132(50):17661–17663.)，在超声分散时要加入1％的羟乙基纤维素，以调节石墨烯与乙醇表面能的匹配，但其加入的羟乙基纤维素太多，只能用于制备石墨烯复合材料，无法在其它领域得到应用。上述方法均需要采用分散助剂，而分散助剂的存在，在一定程度上降低了石墨烯的性能；此外，这些方法获得的石墨烯浆料的浓度较低，使其应用受到限制。为了获得无分散助剂的分散液，Tour和Pasquali等用石墨直接在酸性体系氯磺酸中制备出浓度高达2mg/mL的石墨烯分散液，但氯磺酸的强酸性严重影响其在储能、催化等领域的应用(Tour J M,PasqualiM.Spontaneous high-concentrationdispersions and liquidcrystals of graphene.Nature Nanotechnology,2010,5(6):406–411.)。除了学术论文的报道，我国也已公开较多的石墨烯分散液制备方法。中国专利CN103935995采用引入取代的亲水羧基、羟基，提高石墨烯的水溶性，制备了稳定的石墨烯胶体分散液，该胶体分散液具有丁达尔效应，其zeta电位为-41～-33mV，石墨烯的平均粒径为250～400nm。中国专利CN104071778A公开了一种石墨烯分散液和石墨烯材料粉体的方法，该方法是在水性石墨烯浆料中加入特定的溶剂形成共沸体系，最后通过置换，将其中的水分通过加热蒸发去除，从而获得石墨烯有机系浆料，并可通过进一步干燥去除有机溶剂获得石墨烯粉体材料。中国专利CN104538086A公开了一种水性导电高分子-石墨烯分散液及其制备方法，利用水性导电高分子与石墨烯之间产生强烈的π-π相互作用，通过液相超声剥离石墨，得到高浓度、高稳定的浓度范围为1-10mg/ml的水性导电高分子-石墨烯分散液。
上述方法均采用了单一或简单分级的纯机械分散工艺，该工艺具有需要添加分散助剂、分散液稳定性差、分散液浓度较低等缺点。在分散体系中引入外来非石墨烯杂质，不仅阻碍了石墨烯纳米特性的发挥，而且导致在应用中引起不利的副反应或副作用，对石墨烯粉体的应用特性产生不利影响，制约了石墨烯的产业化发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高品质、绿色、无分散助剂、稳定性好的石墨烯水性分散液的制备方法及装置。
本发明基本原理是通过分级分散技术从而获得稳定的石墨烯水性分散液。其原理为首先将石墨烯物料、水置于搅拌容器中，低速搅拌使石墨烯表面被水充分润湿。然后转移到初级分散设备中，物料在该设备有限空间内高速旋转力或挤压力的作用下，可获得较高的动能，从而使石墨烯片层之间、石墨烯与器壁之间可保证有较高的碰撞几率；同时提供了有极强的剪切力作用，从而使多层堆叠的石墨烯片层滑移而分成更少层的石墨烯片层结构。接着再转移到真空超声装置内进行二级分散，在抽真空的过程中可使以物理吸附形式吸附于石墨烯的气体脱出，同时超声条件下利用空化作用和声流效应，使石墨烯进一步乳化剪切，堆叠效应进一步减弱。最后采用直流电场装置，利用石墨烯分散粒子带微电荷的特性，在较短时间段内施加一定的电场，在电场作用下石墨烯片层表面的电荷进一步增强形成稳定的带电片层，片层之间因静电排斥力而相互原理从而形成稳定的分散液。
本发明提供了一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
(1)预浸润：按石墨烯粉体：水质量比为1：9-999；将石墨烯粉体和水加入搅拌容器中，使用搅拌器进行搅拌，并调节搅拌器的转速范围为10-500rpm，搅拌时间为10-30min，使水在石墨烯表面充分润湿，获得石墨烯预润湿液；
(2)初级分散：将步骤(1)所得石墨烯预润湿液转移到初级分散设备中，控制转速范围为1000-10000rpm，进行分散0.5-3h，获得初级分散液；
(3)真空超声：将步骤(2)所得初级分散液转移到真空超声装置中，设置真空度范围为-0.01～-0.1MPa，超声功率范围为500-2000W，工作时间范围为1-30min，获得二级分散液；
(4)稳定化：将步骤(3)所得二级分散液置于稳定化电场装置中，施加电压范围为50-1000V，进行稳定化处理10-300s，从而获得石墨烯水性分散液。
优选的，上述石墨烯为表面带有一定电荷的石墨烯；本发明的石墨烯分散液制备方法中，步骤(1)中所述石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯(3-4层)、多层石墨烯(5-10层)，氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯微片、石墨烯量子点、石墨烯纳米带(片)以及经过化学或物理法在石墨烯中引入原子或官能团后所形成的功能化石墨烯。
优选的，上述石墨烯粉体：水质量比例为1:19-99；
优选的，上述步骤(2)初级分散设备最佳转速为6000-10000rpm，搅拌时间为1-1.5h；
优选的，上述步骤(3)真空超声装置的真空度为-0.07～-0.1MPa，超声功率为1500-2000W，超声时间为15min；
优选的，上述步骤(4)直流电场装置，施加电压范围为200-600V，稳定化处理时间为10-60s，；
本发明的石墨烯分散液制备方法中，步骤(1)中所述的溶剂是水，包括但不限于以下类型的水，大气水、地下水、地表水、结晶水、生物水、磁化水、纳米水、频谱水、去离子水、蒸馏水、反渗透水、超纯水等。
本发明的石墨烯分散液制备方法中，步骤(1)中所述的搅拌容器可以是圆桶等可以盛放液体的器具。
本发明的石墨烯分散液制备方法中，步骤(2)中所述的初级分散设备包括搅拌强力分散机(如佛山市南海区诺星机械设备有限公司的NX-500型；莱州市沙河镇明冠化工机械厂生产的200型等)、盘式分散机(如启东汇龙混合设备厂的FS100型；北京中西远大科技有限公司的CN61M/FX20-1000型、德国NK2000石墨烯分散机等)、盘式热分散机(如潍坊市鑫宇菲浩环保科技有限公司的ZPS22—315；山东创新华一环境工程有限公司的CXP型等)、高压均质机(如德国APV高压均质机APV－2000型，廊坊市盛通机械有限公司JJ10/60、JJ15/40超大型高压均质机，ATS Engineering Inc的AH2010型高压均质机等)，高速搅拌机(如上海纳锘实业有限公司生产的IKA RW20高速搅拌机，日本新东HEIDON的Z+系列搅拌机等)、乳化机(如北京桑翌实验仪器研究所的WIGGENS D-500实验室高剪切均质分散乳化机，喜山仪器(上海)有限公司供应的德国Wiggens D500高剪切分散乳化机，上海子期实验设备有限公司供应的英国Silverson L5T数显乳化机等)、高速分散机(如上海汗诺仪器有限公司的高速SFS-S400型分散机，上海楚柏实验室设备有限公司代理的德国IKA T18高速分散机等)、高速分散乳化机(如北京桑翌实验仪器研究所的WIGGENS D--500型实验室高剪切均质分散乳化机，上海本昂科学仪器有限公司的FJ-200高速分散乳化机等)、分散均浆机(如上海依肯机械设备公司的I10-8G型均浆机，常州国华电器有限公司的JJ-2型匀浆机等)
本发明的石墨烯分散液制备方法中，步骤(3)中所述的真空超声装置包括真空脱气超声波清洗机(如无锡台铭超声波环保科技有限公司的真空脱气超声波清洗机等)、具有真空功能的超声波细胞粉碎机(如无锡沃信仪器有限公司的VOSHIN98-III型超声波细胞粉碎机，北京博宇宝威实验设备有限公司Scientz-IID型超声波细胞粉碎机，天津奥特赛恩斯仪器有限公司的UH-500B液晶超声波细胞粉碎仪等)、具有真空功能的聚能超声设备(如南京顺流仪器有限公司SL型聚能超声分散***，南京先欧仪器制造有限公司的XO-1000F型聚能式超声波仪等)、以及具有抽真空功能的设备(真空箱等)与超声设备的组合体系(如苏州阿特万超声波设备有限公司的真空脱气超声清洗设备等)。
为实现本发明目的，发明人设计了步骤(4)中的稳定化电场装置，它包括绝缘环形壁、环形电极(接直流负极)，中心电极(接直流正极)，绝缘底板，绝缘环形壁连接绝缘底板，绝缘底板的中心处垂直连接中心电极，绝缘底板中装有中心电极外接线，绝缘环形壁中装有环形电极。
本发明的特点和有益效果在于：
(1)采用了预润湿，分散、真空超声，最后电场稳定化处理的三级分散制备工艺，针对石墨烯自身特性进行工艺改进，开发出适用于石墨烯的分散工艺。
(2)本发明巧妙的通过外加电场改变了石墨烯团簇分子的共振能量，促进了石墨烯纳米结构展开，有效解决了石墨烯材料难分散、易漂浮等难题。
(3)该分散液浓度可达0.1wt％-10wt％，且没有添加任何的分散助剂，在催化、储能等领域的应用过程中不会产生副反应或负效应体系稳定性优。
附图说明：
图1为石墨烯原料的扫描电镜照片；
图2中(a)图是实施实例1最初制备出分散液的照片，(b)图是实施实例1经过六个月沉降后的照片，从照片可知无明显沉降。
图3为实施实例1中分散液的光学显微照片；
图4为实施实例1中分散液的扫描电镜照片；
图5中(a)图为实施实例2石墨烯分散液静置6个月后的光学显微照片、(b)图为实施实例3石墨烯分散液静置6个月后的光学显微照片、(c)图为实施实例4石墨烯分散液静置6个月后的光学显微照片、(d)图为实施实例5石墨烯分散液静置6个月后的光学显微照片。
图6中(a)图为实施实例2石墨烯分散液静置6个月后的照片、(b)图为实施实例3石墨烯分散液静置6个月后的照片、(c)图为实施实例4石墨烯分散液静置6个月后的照片、(d)图为实施实例5石墨烯分散液静置6个月后的照片。
图7为本发明所采用的稳定化电场装置主视图及其半剖面图。
图8为本发明所采用的稳定化电场装置俯视图及其A-A半剖面图。
图9为本发明所采用的稳定化电场装置侧视图及其半剖面图。
图10为本发明所采用的稳定化电场装置三维立体剖视图。
稳定化电场装置为中心负极、环形正极且带有绝缘保护的稳定化电场装置，通电后，可在中心负极和环形正极之间形成稳定的直流电场。
如图所示，1是中心电极外接线端，2是绝缘环形壁，3是环形电极，接直流正极，4是中心电极，接直流负极，5是绝缘底板。
具体实施方式
为了详细说明本发明的技术内容和效果，以下将结合具体实施实例(但不限于以下实施实例)并配合附图予以说明。
实施例1
一种稳定化电场装置，它包括绝缘环形壁2、环形电极3(接直流负极)，中心电极4(接直流正极)，绝缘底板5，绝缘环形壁2连接绝缘底板5，绝缘底板5的中心处垂直连接中心电极4，绝缘底板5中装有中心电极4外接线1，绝缘环形壁2中装有环形电极3。
(1)按照石墨烯粉体：水质量比为1：9的比例，分别称取石墨烯粉体5g，去离子水45g，加入烧杯中，使用意大利威尔普的DLH顶置式搅拌器进行匀速搅拌，并调节搅拌器转速为100rpm，搅拌30min，使水在石墨烯表面充分润湿，获得预润湿液；
(2)将步骤(1)所得石墨烯预润湿液转移到德国IKA的T18高速分散机中进行初级分散，调节分散机分散盘转速为1000rpm，工作时间为0.5h，获得初级分散液；
(3)将步骤(2)所得初级分散液转移到真空超声杯中，并采用无锡台铭超声波环保科技有限公司的真空脱气超声波清洗机，设置真空度为-0.1MPa，超声功率为1500W，工作时间为15min；获得二级分散液；
(4)将步骤(3)所得二级分散液置于图6所示的稳定化电场装置中心电极4与绝缘环形壁2之间的处理腔内，给环形电极3接直流负极，经过中心电极4外接线1给中心电极4接直流正极，施加电压为50V，进行稳定化处理50s，获得了稳定的石墨烯水性分散液。
表1实施实例1基本技术性能指标测定参数表
序号 项目 指标
1 外观 黑色均匀液体，无明显颗粒或杂质
2 粘度 2600cps
3 浓度 10wt％
4 沉降时间 6个月无明显沉降
5 液相电导率 66000μS/cm
实施例2
(1)按照石墨烯粉体：溶剂质量比为1：80的比例，分别称取石墨烯粉体5g，去离子水400g，加入烧杯中，使用意大利威尔普的DLH顶置式搅拌器进行匀速搅拌，并调节搅拌器转速为10rpm，搅拌25min，使水在石墨烯表面充分润湿，获得预润湿液；
(2)将步骤(1)所得石墨烯预润湿液转移到德国IKA的T18高速分散机中进行初级分散，调节分散机分散盘转速为1000rpm，工作时间为60min，获得初级分散液；
(3)将步骤(2)所得初级分散液转移到真空超声杯中，并采用无锡台铭超声波环保科技有限公司的真空脱气超声波清洗机，设置真空度为-0.1MPa，超声功率为2000W，工作时间为15min；获得二级分散液；
(4)将步骤(3)所得二级分散液置于图6所示的稳定化电场装置中，施加电压为50V，进行稳定化处理50s，获得了稳定的石墨烯水性分散液。其余同实施例1。
表2实施实例2基本技术性能指标测定参数表
序号 项目 指标
1 外观 黑色均匀液体，无明显颗粒或杂质
2 粘度 1800cps
3 浓度 1.24wt％
4 沉降时间 6个月无明显沉降
5 液相电导率 29000μS/cm
实施例3
(1)按照石墨烯粉体：溶剂质量比为1：99的比例，分别称取石墨烯粉体10g，去离子水990g，加入烧杯中，使用北京桑翌实验仪器研究所的WIGGENS WB3000-D高速大扭距搅拌器进行匀速搅拌，并调节搅拌器转速为500rpm，搅拌10min，使水在石墨烯表面充分润湿，获得预润湿液；
(2)将步骤(1)所得石墨烯预润湿液转移到德国Wiggens D500高剪切分散乳化机中进行初级分散，调节分散乳化机分散盘转速为10000rpm，工作时间为30min，获得初级分散液；
(3)将步骤(2)所得初级分散液转移到上海比朗仪器制造有限公司生产的恒温密闭超声波反应器釜中，并设置真空度为-0.06MPa，超声功率为1000W，工作时间为15min；获得二级分散液；
(4)将步骤(3)所得二级分散液置于图6所示的稳定化电场装置中，施加电压为800V，进行稳定化处理100s，获得了稳定的石墨烯水性分散液。其余同实施例1。
表3实施实例3基本技术性能指标测定参数表
实施例4
(1)按照石墨烯粉体：溶剂质量比为1：800的比例，分别称取石墨烯粉体1g，去离子水800g，加入烧杯中，使用北京桑翌实验仪器研究所的WIGGENS WB3000-D高速大扭距搅拌器进行匀速搅拌，并调节搅拌器转速为300rpm，搅拌20min，使水在石墨烯表面充分润湿，获得预润湿液；
(2)将步骤(1)所得石墨烯预润湿液转移到创新思成有限公司代理的PRIMA进口剪切乳化分散机PD500-TP中进行初级分散，调节分散机分散盘转速为10000rpm，工作时间为50min，获得初级分散液；
(3)将步骤(2)所得初级分散液转移到真空超声罐中，并采用南京顺流仪器有限公司的SL型-聚能超声波乳化分散***，设置真空度为-0.1MPa，超声功率为500W，工作时间为10min；开启真空超声***，10min后可获得二级分散液；
(4)将步骤(3)所得二级分散液置于图6所示的稳定化电场装置中，施加电压为1000V，进行稳定化处理300s，获得了稳定的石墨烯水性分散液。其余同实施例1。
表4实施实例4基本技术性能指标测定参数表
序号 项目 指标
1 外观 黑色均匀液体，无明显颗粒或杂质
2 粘度 197.64cps
3 浓度 0.25wt％
4 沉降时间 6个月无明显沉降
5 液相电导率 1405μS/cm
实施例5
(1)按照石墨烯粉体：溶剂重量比为1：999的比例，分别称取石墨烯粉体1g，去离子水999g，加入烧杯中，使用北京来亨科贸有限责任公司的双向磁力搅拌器匀速搅拌，并调节搅拌器转速为100rpm，搅拌20min，使水在石墨烯表面充分润湿，获得预润湿液；
(2)将步骤(1)所得石墨烯预润湿液转移到上ATS Engineering Inc的AH2010型高压均质机中进行初级分散，调节分散机分散盘转速为6000rpm，工作时间为35min，获得初级分散液；
(3)将步骤(2)所得初级分散液转移到优莱博技术(北京)有限公司生产的JULABO-ACE超声化学反应釜中，并将普兰德(上海)贸易有限公司生产的VACUUBRAND化学真空***MZ 2C NT+AK+EK，通过真空管接到反应釜的两个接口，从而搭建成真空超声装置，设置真空度为-0.08MPa，超声功率为1600W，工作时间为25min；获得二级分散液；
(4)将步骤(3)所得二级分散液置于图6所示的稳定化电场装置中，施加电压为680V，进行稳定化处理180s，获得了稳定的石墨烯水性分散液。其余同实施例1。
表5实施实例5基本技术性能指标测定参数表
序号 项目 指标
1 外观 黑色均匀液体，无明显颗粒或杂质
2 粘度 79.14cps
3 浓度 0.1wt％
4 沉降时间 4个月无明显沉降
5 液相电导率 1230μS/cm

Claims (10)

1.一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）预浸润：按石墨烯粉体：水质量比为1：19-99；将石墨烯粉体和水加入搅拌容器中，使用搅拌器进行搅拌，并调节搅拌器的转速范围为10-500rpm，搅拌时间为10-30min，使水在石墨烯表面充分润湿，获得石墨烯预润湿液；
（2）初级分散：将步骤（1）所得石墨烯预润湿液转移到初级分散设备中，控制转速范围为1000-10000rpm，进行分散0.5-3h，获得初级分散液；
（3）真空超声：将步骤（2）所得初级分散液转移到真空超声装置中，设置真空度范围为-0.01～-0.1MPa，超声功率范围为500-2000W，工作时间范围为1-30min，获得二级分散液；
（4）稳定化：将步骤（3）所得二级分散液置于稳定化电场装置中，施加电压范围为200-600V，进行稳定化处理10-300s，从而获得石墨烯水性分散液；
步骤（4）的稳定化电场装置，它包括绝缘环形壁（2）、环形电极（3），中心电极（4），绝缘底板（5），绝缘环形壁（2）连接绝缘底板（5），绝缘底板（5）的中心处垂直连接中心电极（4），绝缘底板（5）中装有中心电极（4）外接线（1），绝缘环形壁（2）中装有环形电极（3）。
2.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（1）中所述石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯、3-4层石墨烯、5-10层石墨烯中的一种。
3.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于所述的水为大气水、地下水、地表水、结晶水、生物水、磁化水、纳米水、频谱水、去离子水、蒸馏水、反渗透水或超纯水。
4.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（2）初级分散设备转速为6000-10000rpm，搅拌时间为1-1.5h。
5.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（2）中所述的初级分散设备包括搅拌强力分散机、盘式分散机、盘式热分散机、高压均质机、高速搅拌机、乳化机、高速分散机、高速分散乳化机、分散均浆机。
6.如权利要求5所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于所述的搅拌强力分散机为佛山市南海区诺星机械设备有限公司的NX-500型；莱州市沙河镇明冠化工机械厂生产的200型；盘式分散机为启东汇龙混合设备厂的FS100型；北京中西远大科技有限公司的CN61M/FX20-1000型、德国NK2000石墨烯分散机；盘式热分散机为潍坊市鑫宇菲浩环保科技有限公司的ZPS22—315，山东创新华一环境工程有限公司的CXP型；高压均质机为德国APV高压均质机APV－2000型，廊坊市盛通机械有限公司JJ10/60、JJ15/40超大型高压均质机，ATS Engineering Inc的AH2010 型高压均质机；高速搅拌机为上海纳锘实业有限公司生产的IKA RW20高速搅拌机，日本新东HEIDON 的Z+系列搅拌机；乳化机为北京桑翌实验仪器研究所的WIGGENS D-500实验室高剪切均质分散乳化机，喜山仪器（上海）有限公司供应的德国Wiggens D500高剪切分散乳化机，上海子期实验设备有限公司供应的英国Silverson L5T数显乳化机；高速分散机为上海汗诺仪器有限公司的高速SFS-S400型分散机，上海楚柏实验室设备有限公司代理的德国IKA T18高速分散机；高速分散乳化机为北京桑翌实验仪器研究所的WIGGENS D-500型实验室高剪切均质分散乳化机，上海本昂科学仪器有限公司的FJ-200高速分散乳化机；分散均浆机为上海依肯机械设备公司的I10-8G型均浆机，常州国华电器有限公司的JJ-2型匀浆机。
7.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（3）真空超声装置的真空度为-0.07～-0.1MPa，超声功率为1500-2000W，超声时间为15min。
8.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（3）中所述的真空超声装置包括真空脱气超声波清洗机、具有真空功能的超声波细胞粉碎机、具有真空功能的聚能超声设备、或具有抽真空功能的真空箱与超声设备的组合体。
9.如权利要求8所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于所述的真空脱气超声波清洗机为无锡台铭超声波环保科技有限公司的真空脱气超声波清洗机；具有真空功能的超声波细胞粉碎机为无锡沃信仪器有限公司的VOSHIN98-III型超声波细胞粉碎机，北京博宇宝威实验设备有限公司Scientz-IID型超声波细胞粉碎机，天津奥特赛恩斯仪器有限公司的UH-500B液晶超声波细胞粉碎仪；具有真空功能的聚能超声设备为南京顺流仪器有限公司SL型聚能超声分散***，南京先欧仪器制造有限公司的XO-1000F型聚能式超声波仪；具有抽真空功能的真空箱与超声设备的组合体为苏州阿特万超声波设备有限公司的真空脱气超声清洗设备。
10.如权利要求1所述的一种分级分散法制备石墨烯水性分散液的方法，其特征在于步骤（4）稳定化处理时间为10-60s。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106479110A (zh) * 2016-10-31 2017-03-08 青岛德通纳米技术有限公司 一种导热导电石墨烯复合材料的制备方法
CN106672954B (zh) * 2017-01-20 2019-02-01 雅迪科技集团有限公司 一种液相剥离制备石墨烯二维材料的方法
CN107337863A (zh) * 2017-05-17 2017-11-10 无锡兴达泡塑新材料股份有限公司 一种含石墨烯的导静电聚苯乙烯发泡材料及其制备方法
CN108559377A (zh) * 2018-03-02 2018-09-21 合肥思博特软件开发有限公司 一种用于自动化设备的防水漆及其制备方法
CN108649233A (zh) * 2018-05-15 2018-10-12 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种双面涂布超薄石墨烯的锂离子动力电池穿孔箔材及其制备方法
CN109355726A (zh) * 2018-09-20 2019-02-19 江苏恒辉安防股份有限公司 聚合物纤维及其制备方法
CN109879276A (zh) * 2019-03-15 2019-06-14 山东华冠智能卡有限公司 一种石墨烯的分散方法
CN110180688B (zh) * 2019-05-17 2021-01-15 浙江海洋大学 一种超重力耦合制备二维纳米材料的方法
CN116199213A (zh) * 2023-02-23 2023-06-02 广州特种承压设备检测研究院 一种石墨烯在液体体系中的分散方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101948107A (zh) * 2010-09-15 2011-01-19 天津大学 真空下微波辐射制备和纯化石墨烯的方法
CN102179172A (zh) * 2011-04-25 2011-09-14 同济大学 一种基于电泳原理的氧化石墨烯的分离方法
WO2012125854A1 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 Peerless Worldwide, Llc Facile synthesis of graphene, graphene derivatives and abrasive nanoparticles and their various uses, including as tribologically-beneficial lubricant additives
JP2013529176A (ja) * 2010-06-10 2013-07-18 ザ・ユニバーシティ・オブ・マンチェスター 機能化されたグラフェン
CN103693638A (zh) * 2013-12-09 2014-04-02 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种电化学溶胀石墨制备石墨烯的方法
CN104291328A (zh) * 2014-09-25 2015-01-21 深圳粤网节能技术服务有限公司 石墨烯材料的分级分离方法
CN105498540A (zh) * 2015-12-08 2016-04-20 北京大学第一医院 一种具有浓缩功能的电泳仪

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013529176A (ja) * 2010-06-10 2013-07-18 ザ・ユニバーシティ・オブ・マンチェスター 機能化されたグラフェン
CN101948107A (zh) * 2010-09-15 2011-01-19 天津大学 真空下微波辐射制备和纯化石墨烯的方法
WO2012125854A1 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 Peerless Worldwide, Llc Facile synthesis of graphene, graphene derivatives and abrasive nanoparticles and their various uses, including as tribologically-beneficial lubricant additives
CN102179172A (zh) * 2011-04-25 2011-09-14 同济大学 一种基于电泳原理的氧化石墨烯的分离方法
CN103693638A (zh) * 2013-12-09 2014-04-02 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种电化学溶胀石墨制备石墨烯的方法
CN104291328A (zh) * 2014-09-25 2015-01-21 深圳粤网节能技术服务有限公司 石墨烯材料的分级分离方法
CN105498540A (zh) * 2015-12-08 2016-04-20 北京大学第一医院 一种具有浓缩功能的电泳仪

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Capillary zone electrophoresis of graphene oxide and chemically converted graphene;Marc B. Müller,et al.;《Journal of Chromatography A》;20101231;第7593-7597页 *

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