[發明專利]一種帶正電穩定的石墨烯水分散液及其制備方法

在審

• 申請號: 201810111387.6
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108178147A
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 張心亞;田玉琴;戴飛;謝于輝;黃浩煒
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01B32/198;C01B32/194
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 向玉芳

本發明公開了一種帶正電穩定的石墨烯水分散液及其制備方法。該制備方法先將氧化石墨烯分散于無水乙醇中，與硅烷偶聯劑一起投入反應釜中升溫反應，進行改性；采用陽離子單體對所得的產物接枝改性；采用環保型的還原劑抗壞血酸鈉對改性過的氧化石墨烯進行還原，制得帶正電穩定的石墨烯水分散液。本發明提供一種帶正電的石墨烯水分散液，具有良好的穩定性，并且在不使用表面活性劑與穩定劑的條件下很好地解決了石墨烯在水中的分散性問題。這有利于石墨烯在陽離子聚合、磷化過程、石墨烯墨水、功能流體以及薄膜材料等領域得到廣泛的工業化應用。

技術領域

本發明屬于功能材料技術領域，涉及一種帶正電穩定的石墨烯水分散液及其制備方法。

背景技術

石墨烯作為一種新型的具有蜂巢狀晶格結構的二維碳納米材料，自2004年，英國曼徹斯特大學教授Novosdov等首次制備出來后就立刻吸引了國內外無數科學家的重點關注。與石墨其它形式的同素異形體相比，顯示出獨特的性能，如室溫量子赫爾效應、雙極性的電場效應、可調的價帶以及高度的彈性等。石墨烯擁有特殊納米結構使其在諸如納米電子學、傳感器、納米復合物、電池、超級電容器以及儲氫材料等領域具備廣泛的應用前景。

然而，石墨烯自身的團聚問題成了批量化生產石墨烯的一大挑戰。由于擁有高比表面積，石墨烯傾向于形成不可逆的團聚物，甚至由于范德華力的作用會重新堆疊成石墨。另外若要石墨烯優異的物理化學性能能夠得到充分的利用，首先要求石墨烯可以穩定分散于水或其他有機溶劑中。所以，如何有效地防止團聚的發生，使得石墨烯在溶劑中穩定分散，對于石墨烯的產業化以及石墨烯在功能流體、光電器件、石墨烯墨水等領域的工業化應用有著至關重要的意義。

目前氧化還原方法制備石墨烯分散液的方法相對簡單快捷，且能夠進行規?；a，是常見的制備石墨烯分散液的方法，通過改性的Hummers法制備氧化石墨烯，經過超聲方式對氧化石墨烯進行剝離得到水溶液中懸浮液再利用水合肼、硼氫化鈉等物質通過化學還原的方法進行還原。但是在還原過程中，由于氧化石墨烯表面的含氧官能團的減少，石墨烯片間的電荷斥力相應減弱,導致石墨烯在水溶液中發生不可逆團聚，團聚后的石墨烯在水中不具有納米分散性，從而阻斷了其進一步的處理和應用，目前使用表面活性劑和穩定劑來輔助分散還原氧化石墨烯是提高其分散液濃度以及穩定性的方法，但是表面活性劑和穩定劑在后續應用中難以被完全去除，導致制備的復合材料的導電導熱性能、力學等性能下降，這極大地限制了石墨烯水分散液的應用，另一方面水合肼、硼氫化鈉等還原劑毒性較高，對環境危害大。

申請號為201410445881.8中國發明專利申請公開了一種改性石墨烯水分散液的制備方法，采用了聚乙烯吡咯烷酮、聚氧乙烯、聚苯乙烯磺酸鈉等表面活性劑共價改性石墨烯，在后續處理中難除去，影響石墨烯的進一步工業化應用。申請號為201510242472.2的中國發明專利公開了一種還原氧化石墨烯水分散液及制備方法，采用纖維素納米晶分散方式獲得還原氧化石墨烯分散液，其中采用了水合肼、苯甲醇等還原劑不利于環境保護，并且對人的身體健康有危害。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種環境友好的，不添加任何表面活性劑以及穩定劑的帶正電穩定的石墨烯水分散液及其制備方法。

本發明不添加任何表面活性劑以及穩定劑有利用石墨烯進一步的工業化應用，使用環保型還原劑，符合綠色環保的要求。

本發明解決其技術問題所采取的技術方案是：

一種帶正電穩定的石墨烯水分散液的制備方法，包括以下步驟：

1)氧化石墨烯改性：以質量份數計，將0.1～0.6份氧化石墨烯加100～500份無水乙醇進行分散，將得到的分散后的氧化石墨烯分散液與1～8份硅烷偶聯劑投入反應釜升溫至40～90℃回流反應6～10小時，經抽濾洗滌后分散于60～80份去離子水中得到分散液；所述的硅烷偶聯劑選用乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一種或多種；