[發明專利]一種高含量的水性石墨烯分散液及其制備方法

有效

• 申請號: 201711399318.1
• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN108165069B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 陸明;許鈞強;劉敏;匡民明;徐業雄;王松
• 申請（專利權）人: 明光科迪新材料有限公司;中山市鈞緯新材料科技有限公司
• 主分類號: C09D5/08
• 分類號: C09D5/08;C08K3/04;C08F293/00;C08F222/02;C08F212/14;C08F230/02
• 代理公司: 深圳瑞天謹誠知識產權代理有限公司 44340
• 代理人: 張佳

本發明涉及一種高含量的水性石墨烯分散液，由MMP、乙醇、潤濕劑、石墨烯、三元嵌段共聚物分散劑、其它助劑和水組成；所述的三元嵌段共聚物分散劑由衣康酸、乙烯基苯磺酸鈉、甲基丙烯酰氧烷基醇磷酸單酯，RAFT鏈轉移劑、偶氮類引發劑，通過RAFT技術合成；其Mn為3000～8000，PDI≤1.2；本發明制得一種高含量的水性石墨烯分散液，具有良好的納米粒徑及窄分布、透明性、相容性、貯存穩定性，優異的耐腐蝕性、導電性、潤滑性、耐油性、耐醇性、耐水性和耐鹽霧性。廣泛用于水性防腐涂料、水性UV/LED涂料、復合材料、導電薄膜材料、摩擦材料及傳感器等領域。

技術領域

本發明涉及一種水性石墨烯分散液，尤其涉及一種高含量的水性石墨烯分散液及其制備方法，屬于石墨烯技術領域。

背景技術

石墨烯是一種二維蜂窩狀碳質材料，由于其獨特的結構而具有非凡的電學性能、光學性能、熱力學性能以及力學性能。石墨烯的電子遷移率(2×10⁵cm²·v^-1·s^-1)，比硅半導體高100倍。廣泛用于納米電子器件，傳感器，納米復合材料、電池、超級電容器、儲氫裝置等。高濃度穩定分散的石墨烯分散液有著巨大的應用前景，可以應用于石墨烯復合材料、防腐涂料、透明導電薄膜等工業化生產。

但是石墨烯具有高的比表面積，不親水也不親油，并且由于范德華力還容易發生團聚，難以長時間穩定分散在溶液中。

對于如何改善石墨烯的分散性問題，有大量的科研人員在這方面作了一系列研究，其方法主要集中在對石墨煉的表面改性、引入外來分子如負載納米粒子、加入表面活性劑分子、引入高分子以及摻雜芳香族大分子等，也有利用還原的氧化石墨煉面內或邊緣含氧官能團的靜電排斥作用以減弱片層間的范德華力來達到穩定分散的目的。近來有報道在不加任何表面活性劑或穩定劑的情況下，通過調節分散介質的pH值達到穩定分散石墨烯的效果。

用于分散石墨烯的體系主要有三種:(1)表面活性劑水溶液，(2)有機溶劑，(3)超酸。目前，在水溶液中使用表面活性劑所得到的石墨烯的分散液濃度都偏低，一般為5％，近來較高濃度10％石墨烯分散液提供，但是其穩定性、石墨烯粒徑及分布不是很理想，如果石墨烯達不到理想的粒徑，其性能大打折扣。若能在水溶液體系中得到高濃度穩定的石墨烯分散液，無疑能促進石墨烯在多領域中的廣泛應用，這正是石墨烯研究領域中的一個重要課題。

據公開的專利報導，目前用于分散石墨烯液常的表面活性劑，如十二烷基磺酸鈉(SDS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、聚乙烯醇(PVA)、木質素磺酸鈉(SLS)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、DNA、膽酸鈉(SC)、聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、硅烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、聚氧乙烯蓖麻油等。但這些分散劑制備的石墨烯分散液濃度低、穩定性差。

發明內容

本發明旨在提供一種高含量的水性石墨烯分散液及其制備方法。

本發明采用一種RAFT合成的、三元嵌段共聚物作為分散劑，該分散劑具有A-B-C嵌段結構，其錨固基團羧酸鹽離子、磺酸鹽離子、磷酸酯鹽離子吸附石墨烯粒子表面上H⁺形成雙電層產生靜電排斥，聚乙烯基苯環的嵌段梳狀分布能與石墨烯形成π-π共扼鍵，聚甲基丙烯酰氧烷基的嵌段梳狀分布產生空間位阻不會相互纏繞，并伸展在分散體系中形成架橋網狀分布，從而形成穩定的懸浮體系；該分散劑含多個錨固基團，完全與粒子表面上的H⁺離子結合，且吸附量大，錨固效果好，有效防止水分子中-OH滲入到石墨烯粒子表面與H⁺形成氫鍵。本發明所述的石墨烯分散液在防腐涂料、復合材料、導電薄膜、傳感器等的應用上使石墨烯處于納米級分布狀態而不團聚，充分體現石墨烯具有的獨特性能。

本發明所述的三元嵌段共聚物分散劑，其分子末端含有磷酸酯鹽基團，其制備的石墨烯分散液用于水性防銹防腐涂料時，能與金屬底材上生成一層磷化膜，提高與基材的附著力和致密性，從而提高涂料的耐水性和耐鹽霧性。