[發明專利]石墨烯的濃縮水分散液及其制備方法

有效

• 申請號: 201480010131.6
• 申請日: 2014-02-28
• 公開（公告）號: CN105073636B
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 朱里奧·切薩雷;瑪麗亞·里卡爾多·帕里尼;勞拉·喬治亞·瑞澤
• 申請（專利權）人: 迪熱克塔普拉斯股份公司
• 主分類號: C01B32/225
• 分類號: C01B32/225;C01B32/19
• 代理公司: 北京英特普羅知識產權代理有限公司11015
• 代理人: 齊永紅

技術領域

本發明涉及石墨烯的濃縮水分散液及其制備方法。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化形成的單原子層材料。這些緊密排列成六角形蜂巢結構的碳原子形成石墨烯、碳納米管以及富勒烯的基本結構元素。

石墨烯是一種具有獨特性質的材料：除了導熱性(～5000W/Km)以及高的電流承載能力(～1.2mA/μm)外，它還是具有高電荷載流子遷移率(高達200,000cm²/Vs)的零帶隙半導體，非常高的機械強度(拉伸強度～40N/m，楊氏模量～1.0TPa)。這些性質使得石墨烯被用于要求使用先進材料的區隔市場。因此，從科研及工業角度對基于石墨烯的材料進行了研究以應用于如電子、光伏、電池、傳感器、光電子學以及納米復合材料等領域。

科技及專利文獻公開了各種制備石墨烯的方法，例如化學氣相沉積、外延生長、化學剝離以及氧化型氧化石墨烯(GO)的化學還原。

申請人Directa Plus公司是歐洲專利EP2 038 209 B1的專利權人，除了其它事項外，其公開并請求保護一種制備包含石墨烯層狀結構的方法，通過插層以及隨后的石墨烯的膨脹/剝離獲得。US 2011/0017585A1公開了通過對分散在沒有表面活性劑的液體中的天然石墨進行超聲的方式來生產鈉米石墨烯片(NGPs)。所使用的液體必須具有一低的表面張力，以確保石墨烯的高潤濕性。通過對多種溶劑的表面張力的研究，發現所獲得的納米石墨烯片的厚度取決于與液體，定義為“溶劑”的接觸角。所有的溶劑均為有機溶劑。實施例中所使用的溶劑為正-庚烷、甘油和苯。說明書表明了獲得初始材料(石墨)濃度高于0.1mg/mL、一般高于1mg/mL、更多地高于10mg/mL(1wt％)的分散液的可能性。實施例涉及重量濃度為0.5wt％的分散液。

US2008/0279756A1公開了制備膨脹石墨、柔性石墨以及納米石墨烯片(NGPs)的方法。所述方法包括石墨粒子或是氧化石墨分散在水中，隨后以足夠的能級進行超聲波處理以形成納米尺寸的石墨烯片。說明書(第[0042]段)涉及了橫向尺寸小于100nm的粒子。實施例5公開了在表面活性劑存在的情況下，2wt％的NGPs的水分散液的超聲波處理，但沒有標明所獲得的NGPs的尺寸，也沒有公開石墨烯濃度高于2％的分散液。

US8,222,190B2公開了一種納米石墨烯改性潤滑劑，包括以重量濃度為0.001％-75wt％，優選0.001％-65wt％的納米石墨烯片(NGPs)分散在基于石油或合成油的潤滑油中。實施例1公開了超薄石墨烯片的制備，通過石墨薄片以0.5％的濃度分散在水中超聲2小時，隨后將所述分散液進行噴霧干燥獲得厚度為1-5層石墨烯層的干燥NGPs。實施例4公開了多種潤滑劑組合物的制備，所述潤滑劑組合物包括以2.5％(樣品1)和45％(樣品5)分散在α-烯烴或是聚烯烴中的NGPs。

因此，無論是石墨烯以低濃度分散在含有有機溶劑或是甚至是由α-烯烴低聚物形成的液體是已知的。事實上，石墨烯的疏水性意味著應避免使用水作為分散液的液體介質。這種疏水性反而導致了有機溶劑的使用，從安全和環境的角度看來，這都是昂貴且有問題的。

然而，上面提到的石墨烯的工業應用，大多數是依賴石墨烯的可用性，尤其是濃縮的形式，易于使用，從健康和環境的角度看來，是相對便宜和安全的。

發明內容

因此，本發明的目的之一在于提供一種以容易獲得的液體介質制備的相對濃縮形式的石墨烯分散液，從健康和環境的角度看來，是便宜且非常安全的。

本發明的另一目的在于提供一種制備如上所述石墨烯分散液的安全且可靠的工藝，可獲得非常純的石墨烯，且氧化產物的量最小。

本發明上述及其它目的和優勢通過在表面活性劑存在的情況下，將石墨烯的納米粒子分散在水中來實現，其中：

-石墨烯納米粒子在水中的重量濃度為5wt％-50wt％；

-所述石墨烯納米粒子的C/O比≥100:1；

-至少90％的所述石墨烯納米粒子具有10-10,000nm的橫向尺寸(x,y)，以及0.34-30nm的厚度(z)，所述橫向尺寸總是大于所述厚度(x,y＞z)；

-所述表面活性劑的量為所述石墨烯的量的1-20wt％，且為陰離子表面活性劑或是非離子表面活性劑或是它們的混合物。

根據本發明，制備水中石墨烯納米粒子分散液的方法包括橫向尺寸≤500μm的插層石墨片的膨脹，通過將其暴露在至少1300℃的溫度下少于1秒鐘，其中：