CN106185878A - 一种石墨烯纳米带制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯纳米带的制备方法，属于碳纳米功能材料技术领域。本发明提供了一种石墨烯纳米带的制备方法，以碳纳米管为原料，将钠钾液态合金加入到碳纳米管的分散液中，经纳钾合金的纵向切割和液态卤代烷的表面修饰而得到最终产品。本发明工艺简单、操作方便、生产成本低，绿色环保，便于规模化生产。采用本发明方法制备出的石墨烯纳米带层状结构完善，边缘规整，分散性强，导电导热性强，可广泛应用于聚合物添加剂、导电导热剂以及力学增韧剂等。
Description
技术领域
本发明属于属于碳纳米功能材料技术领域，具体涉及石墨烯纳米带的制备方法。
背景技术
石墨烯纳米带是从单层石墨烯片上切割下来的一种带状材料，这种材料的结构赋予了它特殊的性质，除了和石墨烯一样高电导率、高热导率、低噪声的优良性质以外，石墨烯纳米带具有取决于纳米带宽度的特殊性质，即边缘之字形石墨烯纳米带总是表现出金属性，而椅形的石墨烯纳米带则表现出金属和和半导体两种性质，我们可以通过切割碳纳米管，并将其边缘功能化得到我们所需要的性质的纳米带。这种纳米带可应用于广泛应用于聚合物添加剂、导电导热剂以及力学增韧剂等等。
现有的石墨烯纳米带的制备方法，如申请号为CN201410151849.9的“一种密闭氧化制备石墨烯纳米带的方法”公开的方法是：(1)使用一种夹套反应釜作为反应容器，釜体(含釜盖)为不锈钢质材，内衬为聚四氟乙烯质材，该反应釜为反应提供安全密闭的反应空间；往聚四氟乙烯内衬内加入浓硫酸，浓硫酸的体积与聚四氟乙烯内衬的容积比为75∶100，然后将高锰酸钾和多壁碳纳米管按照5∶1的比例加入浓硫酸中，多壁碳纳米管和浓硫酸的质量体积比为1∶1mg/mL，混合均匀；(2)将聚四氟乙烯内衬置入反应釜中，密闭，加热至60～70℃恒温反应3小时；(3)将产物超声振荡，然后加入30％过氧化氢，过氧化氢与浓硫酸的体积比为1∶15，最后用盐酸和去离子水洗涤至中性，室温晾干。该方法的主要缺点是：氧化法切割碳管产生的石墨烯纳米带不仅边缘被功 能团化，石墨烯纳米带的平面也不可避免的功能团化，破坏了石墨烯表面的大π键的排列，最终导致石墨烯纳米带的导电性降低。同时，此方法制备的石墨烯纳米带易团聚，分散性差，从而对纳米带以后的应用造成影响。
本发明的目的是针对现有石墨烯纳米带制备方法不足，提供一种表面化学修饰石墨烯纳米带的制备方法，具有操作方便，生产成本低，绿色环保等优点；本发明方法制备出的石墨烯纳米带缺陷少，片层完整，纳米带边缘平整，分散性好。
实现本发明目的的技术方案是：以碳纳米管作为原料，将钠钾液态合金加入到碳管的分散液中，经超声，搅拌，抽滤，干燥而得到产品。
具体操作步骤如下：
1)碳纳米管的混合溶液
量取无氧无水的二甲醚衍生物有机溶剂，倒入无水且充满高纯惰性气体的反应容器内。其中，二甲醚衍生物有机溶剂的体积不超过反应容器容积的三分之二。按照碳纳米管与二甲醚衍生物有机溶剂的质量体积比称取一定质量的碳纳米管，并将碳纳米管加入到上述的反应容器中。
2)加入钠钾液态合金
按照碳纳米管与钠钾液态合金的质量体积比量取一定量的钠钾液态合金，并将钠钾液态合金加入到上述的碳纳米管混合溶液中。将上述的混合液在功率(30～100W)、频率50～1000Hz条件下进行5～60min的超声震荡后，在转速为100-1000r/min的条件下持续搅拌1～5天。
3)化学修饰
按照液态卤代烷与碳纳米管的质量配比向反应容器内注入液态卤代烷，在 转速为100～1000r/min的条件下持续搅拌1天。
4)清洗
将第(3)步得到的混合液进行抽滤，收集得到的固体残余物，按照固体残余物与清洗液的质量体积比分别使用清洗液进行清洗。清洗液的顺序依次为四氢呋喃清洗(1～3次)，异丙醇(1～3次)，去离子水(1～3次)。
5)干燥
将第(4)步得到的固体残余物在60～150℃恒温干燥2～24小时，从而得到最终产品——石墨烯纳米带。
其中，第(1)步中所述碳纳米管与二甲醚衍生物有机溶剂的质量体积比为1g∶500～3000ml。
第(2)步中所述碳纳米管与钠钾液态合金的质量体积比为1g∶1～10ml，其中，所述钠钾液态合金中钠钾的质量比为1g∶1～10g。
第(3)步中所述的碳纳米管与液态卤代烷的质量配比为1g∶50～100mmol。
第(4)步中所述的固体残余物与清洗液的质量体积比为1g∶10～300ml，依次收集并蒸馏清洗液以循环使用。
所述的碳纳米管为：单壁或双壁或多壁碳纳米管，直径2～100nm，长度1～50μm，含碳量≥95％。
所述的高纯惰性气体为：高纯氮气或氦气或氩气或氙气或氡气。
所述的液态卤代烷为：三氯甲烷或二氯甲烷或四氯化碳或碘甲烷或溴乙烷或1，2-二氯乙烷或碘丁烷或碘辛烷或十六烷基碘代烷等液态的碘代烷或溴代烷或氯代烷。
所述的二甲醚衍生物有机溶剂为：乙二醇二甲醚或二乙二醇二甲醚或三乙二 醇二甲醚或乙二醇单甲醚等二甲醚衍生物。
所述的清洗液：四氢呋喃、异丙醇、去离子水。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：
(1)本发明方法制备出表面化学修饰石墨烯纳米带具有高导电性、高导热性、高电磁波吸收性、高韧性、耐磨性等性能；
(2)本发明方法采用搅拌、超声分散等操作方式，工艺简单，易操作，无需采用浓酸等强氧化剂，生产能耗低，且洗涤所用有机溶剂可以回收循环使用，绿色环保；
(3)本发明方法制备出石墨烯纳米带缺陷少，边缘平整，片层完整，导电性高，分散性好，有利于与聚合物的复合和应用；
(4)本发明工艺简单，操作方便，生产设备少，从而进一步降低生产成本，便于实际推广应用，适于规模化生产。
附图说明
图1为本实施例1制备出的石墨烯纳米带的SEM图
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
实施例1
一种表面化学修饰石墨烯纳米带制备方法的具体步骤如下：
1)碳纳米管的混合溶液
量取无氧无水的乙二醇二甲醚有机溶剂，倒入无水且充满高纯氮气的反应容器内。其中，乙二醇二甲醚有机溶剂的体积不超过反应容器容积的三分之二。按照乙二醇二甲醚与碳纳米管的体积质量比3000ml∶1g，称取一定质量的多壁碳纳米管(直径～100nm，长度～50μm，含碳量：95％)，加入到上述的反应容器中。
2)加入钠钾液态合金
按照碳纳米管与钠钾液态合金的质量体积比1g∶1ml，量取一定量的钠钾液态合金，并将钠钾液态合金(其中，钠钾质量比1g∶10g)加入到上述的碳纳米管混合溶液中。在功率30W，50Hz频率条件下进行60min的超声震荡后，磁力搅拌5天。
3)化学修饰
按照碳纳米管与液态卤代烷质量体积比1g∶50mmol，向反应容器内注入液态十六烷基碘代烷，在转速为100r/min的条件下持续搅拌1天。
4)清洗
将第(3)步得到的混合液进行抽虑，按照收集的固体与清洗液质量体积比1g∶10ml，对固体残余物进行清洗。清洗液的顺序依次为四氢呋喃清洗3次，异丙醇3次，去离子水3次。
5)干燥
将第(4)步得到的固体残余物在60℃干燥24小时，从而得到最终产品——石墨烯纳米带。
实施例2
一种石墨烯纳米带的制备方法，同实施例1，其中：
第(1)步中，所述碳纳米管为多壁碳纳米管(直径～80nm，长度为～30μm，含碳量：99％)，高纯惰性气氛为氮气，所述的二甲醚衍生物有机溶剂为二乙二醇二甲醚，所述碳纳米管与二乙二醇二甲醚的质量体积比为1g∶1500ml。
第(2)步中，超声功率为50W，频率为500Hz，超声时间20min，所述钠钾液态合金中钠钾的质量比为1g∶5g，所述碳纳米管与钠钾液态合金的质量体积比为1g∶5ml。
第(3)步中，所述液态液态卤代烷为碘辛烷，所述碳纳米管与碘辛烷的质量配比为1g∶80mmol，搅拌的转速为500r/min，时间为1天。
第(4)步中，所述的固体残余物与清洗液的质量体积比为1g∶200ml。清洗液的顺序依次为四氢呋喃清洗2次，异丙醇2次，去离子水2次。
第(5)步中，干燥温度为80℃时间为12小时。
实施例3
一种石墨烯纳米带的制备方法，同实施例1，其中：
第(1)步中，所述碳纳米管为双壁碳纳米管(直径～40nm，长度为～50μm，含碳量：97％)，高纯惰性气氛为氩气，所述的二甲醚衍生物有机溶剂为三乙二醇二甲醚，所述碳纳米管与三乙二醇二甲醚的质量体积比为1g∶500ml。
第(2)步中，超声功率为100W，频率为1000Hz频率，超声时间5min，所述钠钾液态合金中钠钾的质量比为1g∶1g，所述碳纳米管与钠钾液态合金的质量体积比为1g∶10ml。，
第(3)步中，所述液态卤代烷为碘丁烷，所述碳纳米管与碘丁烷的质量配比为1g∶100mmol，搅拌的转速为1000r/min，时间为1天。
第(4)步中，所述固体残余物与清洗液的质量体积比为1g∶300ml。清洗液的顺序依次为四氢呋喃清洗1次，异丙醇1次，去离子水1次。
第(5)步中，干燥温度为150℃时间为2小时
实施例4
一种石墨烯纳米带的制备方法，同实施例1，其中：
第(1)步中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管(直径～2nm，长度为～1μm，含碳量96％)，高纯惰性气氛为氦气，二甲醚衍生物有机溶剂为乙二醇单甲醚。
第(3)步中，所述液态卤代烷为1，2-二氯乙烷。
实施例5
一种石墨烯纳米带的制备方法，同实施例1，其中：
第(1)步中，高纯惰性气氛为氙气。
第(3)步中，所述液态卤代烷为溴乙烷。
实施例6
一种石墨烯纳米带的制备方法，同实施例1，其中：
第(1)步中，高纯惰性气氛为氡气。
第(3)步中，所述液态卤代烷为碘甲烷。
实施例7
一种石墨烯纳米带的制备方法，同实施例1，其中：
第(3)步中，所述液态卤代烷为四氯化碳。
实施例8
一种石墨烯纳米带的制备方法，同实施例1，其中：
第(3)步中，所述液态卤代烷为二氯甲烷。
实施例9
一种石墨烯纳米带的制备方法，同实施例1，其中：
第(3)步中，所述液态卤代烷为三氯甲烷。
Claims (2)
1.一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于所述的如下步骤：
1)碳纳米管的混合溶液
量取无氧无水的二甲醚衍生物有机溶剂，倒入无水且充满高纯惰性气体的反应容器内。其中，二甲醚衍生物有机溶剂的体积不超过反应容器容积的三分之二。按照碳纳米管与二甲醚衍生物有机溶剂的质量体积比称取一定质量的碳纳米管，并将碳纳米管加入到上述的反应容器中。
2)加入钠钾液态合金
按照碳纳米管与钠钾液态合金的质量体积比量取一定量的钠钾液态合金，并将钠钾液态合金加入到上述的碳纳米管混合溶液中。将上述的混合液在功率(30～100W)、频率50～1000Hz条件下进行5～60min的超声震荡后，在转速为100-1000r/min的条件下持续搅拌1～5天。
3)化学修饰
按照液态卤代烷与碳纳米管的质量配比向反应容器内注入液态卤代烷，在转速为100～1000r/min的条件下持续搅拌1天。
4)清洗
将第(3)步得到的混合液进行抽滤，收集得到的固体残余物，按照固体残余物与清洗液的质量体积比分别使用清洗液进行清洗。清洗液的顺序依次为四氢呋喃清洗(1～3次)，异丙醇(1～3次)，去离子水(1～3次)。
5)干燥
将第(4)步得到的固体残余物在60～150℃恒温干燥2～24小时，从而得到最终产品——石墨烯纳米带。
2.按权利1所述的一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于：
2.1)第(1)步中所述碳纳米管与二甲醚衍生物有机溶剂的质量体积比为1g∶500～3000ml。
2.2)第(2)步中所述碳纳米管与钠钾液态合金的质量体积比为1g∶1～10ml，其中，所述钠钾液态合金中钠钾的质量比为1g∶1～10g。
2.3)第(3)步中所述的碳纳米管与液态卤代烷的质量配比为1g∶50～100mmol。
2.4)第(4)步中所述的固体残余物与清洗液的质量体积比为1g∶10～300依次收集并蒸馏清洗液以循环使用。
所述的碳纳米管为：单壁或双壁或多壁碳纳米管，直径2～100nm，长度1～50μm，含碳量≥95％。
所述的高纯惰性气体为：高纯氮气或氦气或氩气或氙气或氡气。
所述的液态卤代烷为：三氯甲烷或二氯甲烷或四氯化碳或碘甲烷或溴乙烷或1，2-二氯乙烷或碘丁烷或碘辛烷或十六烷基碘代烷等液态的碘代烷或溴代烷或氯代烷。
所述的有机溶剂为：乙二醇二甲醚或二乙二醇二甲醚或三乙二醇二甲醚或乙二醇单甲醚等二甲醚衍生物。
所述的清洗液：四氢呋喃、异丙醇、去离子水。
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