[發明專利]一種利用研磨剝片連續制備石墨烯微片的方法

有效

• 申請號: 201610106332.7
• 申請日: 2016-02-26
• 公開（公告）號: CN105776192B
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 陳慶;孫麗枝
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于石墨烯技術領域，涉及一種機械剝離制備石墨烯的方法，特別涉及一種利用研磨剝片連續制備石墨烯微片的方法。

背景技術

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是由碳原子以sp2雜化形成的蜂窩狀六角平面結構的二維材料。自從2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家采用“膠帶”機械剝離發現石墨烯以來，就成為科學界和工業界關注的焦點。石墨烯是目前最薄也是最堅硬的納米材料，具有良好的電學與光學性能、力學性能、熱傳導性能以及極高的電荷載流子遷移率，同時還有較強的機械強度和柔韌性等眾多普通材料不具備的性能，在能源、電子材料、生物醫學以及環境保護等諸多領域具有潛在的應用前景。

然而，石墨烯材料的價格昂貴、產率低、延展性差、制備過程繁瑣等缺點很大的限制了其在實際工業上的應用。石墨烯微片一般是指碳層數多于10層、厚度在5-100納米范圍內的超薄的石墨烯層狀堆積體。石墨烯微片保持了石墨原有的平面型碳六元環共軛晶體結構，具有超大的形狀比 (直徑／厚度比)，且具有納米厚度，因此具有優異的機械強度、導電、導熱性能以及良好的潤滑、耐高溫和抗腐蝕特性等。這使得石墨烯微片作為添加劑與其它材料復合形成復合材料，不僅可以使基底材料的強度、硬度、耐腐蝕、潤滑性、導熱等性能提升，且能夠使其擁有優良的導電、抗靜電性能，從而得到性能優異的復合材料。

目前石墨烯微片的制備方法包括球磨法、超聲法、高溫膨脹剝離法、氧化還原法等。如中國專利公開號CN103601179A公開了尺寸可控的石墨烯微片的制備方法，以大粒徑可膨脹石墨為原料，高溫下制備高膨脹倍率膨脹石墨，以有機物為插層物，共混插入膨脹石墨片層中，制備膨脹石墨/有機物復合材料，采用粉碎機粉碎成一定尺寸大小，高溫燃燒，膨脹剝離獲得一定尺寸的石墨烯微片。但采用高溫膨脹剝離制備石墨烯，條件苛刻，對設備的要求極高，無法連續生產，制約石墨烯微片的規模化生產。

中國專利公開號CN103803533A公開了一種石墨烯的制備方法，將膨脹石墨和有機溶劑混合進行超聲解離得到石墨烯微片懸浮液，靜置0.2-5小時，去上層懸浮液，去除沉淀物，過濾后在80度烘箱中烘干得到石墨烯微片。采用超聲剝離的方法制備石墨烯微片，不需要經過氧化還原過程，不破壞所制備石墨烯的晶格結構，所得產品質量高，但超聲剝離法需要使用大量的有機溶劑，污染環境，且得到的石墨烯難以純化分離，超聲時間長，不利于規模化生產。

中國專利公開號CN 104709900A公開了納米石墨烯片的制備方法，將石墨材料與插層劑及氧化劑進行插層氧化而形成石墨氧化物，通過高溫加熱使石墨氧化物剝離為納米石墨片結構，將其懸浮于液體中，施以大于5000psi 的機械剪切力，縮減納米石墨片結構的橫向尺寸及厚度，形成納米石墨烯片懸浮液，干燥分離出納米石墨烯片，加熱還原得到石墨烯片。采用氧化還原的方法制備石墨烯片，會破壞石墨烯的結構，影響其性能，且生產過程中需要使用大量的化學試劑，能耗大且污染環境。

綜上所述，目前石墨烯微片的制備方法受限于生產成本與產品性能等各方面因素，仍無工業化應用。因此迫切需要開發一種高效率、低成本、高產品性能的石墨烯微片生產方法。

發明內容

本發明針對目前急速增長的石墨烯微片的需求，提出一種利用研磨剝片連續制備石墨烯微片的方法。利用結晶有機質的反復結晶產生的形變力使石墨層架距離增大，形成插層石墨，將插層石墨送入研磨剝片機，利用介質與石墨物料相互摩擦形成的剪切力的剝磨作用，使插層石墨剝離形成石墨烯微片，通過振動篩分機對剝離的石墨進行篩分分選，將未剝離的石墨篩選出重新進行剝離，得到分布均勻的石墨烯微片。本發明方法制備的石墨烯微片層數為10~100層，晶體結構完整，產品質量高，實現了高剪切機械條件下連續化生產高質量石墨烯微片，可用于防腐涂料，提高涂料的柔韌性性、耐磨性和防銹性能。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案 ：

一種利用研磨剝片機剝離制備石墨烯的方法，其特征在于通過有機質的重復結晶增大石墨的層間距，利用研磨剝片形成的剪切力剝離石墨獲得層數為10~100層的石墨烯微片，具體方法如下：

（1） 將膨脹石墨和有機聚合物按質量比為2~3:1混合作為碳材料，送入螺桿擠出機進行擠壓碳化，通入還原性氣體，設置碳化溫度為300~500℃，使有機聚合物碳化，與膨脹石墨混合形成石墨烯前驅體；