[發明專利]一種低度氧化石墨烯納米片層粉體及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201811198112.7
• 申請日: 2018-10-15
• 公開（公告）號: CN109179386B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 呂生華;劉錦茹;習海濤;胡浩巖
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C04B14/02;C04B20/02
• 代理公司: 西安眾和至成知識產權代理事務所(普通合伙) 61249
• 代理人: 張震國

一種低度氧化石墨烯納米片層粉體及其制備方法與應用，將石墨粉與氧化劑和分散助劑混合并研磨制備少片層大尺寸低氧化度氧化石墨烯納米片層粉體，所得到的干粉狀納米低度氧化石墨烯片層的厚度在2.35～2.75nm，片層平面尺寸為1.3～2.5μm，含氧量為8.5～12.8％，其比表面積為261～287m²/g，導熱系數為1326～1852W/(m·K)，主要應用于水泥基材料的增強增韌及提高導熱性能，摻量為水泥粉體質量的1.5～3.5％，28天齡期水泥基材料的抗壓強度、抗折強度和導熱系數比對照樣品分別提高不小于39％、54％和300％，混凝土的抗滲透、抗凍融和抗碳化能力達到了最好級別。本發明的制備方法具有材料價廉易得，工藝路線合理，操作方便，制備過程無污染，社會經濟效益顯著等優點。

技術領域

本發明涉及一種氧化石墨烯納米材料，具體涉及一種采用球磨法從石墨粉制備低度氧化石墨烯納米片層粉體的制備方法與應用。

技術背景

氧化石墨烯是一種納米級片層材料，與石墨烯有著類似的結構和性能，氧化石墨烯也具有大的比表面積、超強的力學性能、良好的導熱性能以及納米效應，使其在吸附、催化、生物分析檢測、醫藥載體、光電材料及復合材料等方面有著廣泛應用。氧化石墨烯的制備方法有Brodie、Staudenmaier和Hummers三種方法，其制備原理都是用無機強質子酸如濃硫酸、發煙硝酸等處理石墨、將強酸小分子插入到石墨層間，再用強氧化劑如高錳酸鉀、氯酸鉀對其進行氧化。目前最常用的Hummers法，這個方法的優點是可以獲得高氧化度氧化石墨烯，可以對氧化程度及片層尺寸進行調控。但是這些方法的缺點是效率低，污染大，產生廢酸水的數量大，導致氧化石墨烯的價格很高。同時，不同應用領域對于氧化石墨烯的結構有著不同的要求，因此，研究和開發高效率、低成本、低污染制備適合于應用領域要求的氧化石墨烯是目前的研究熱點及迫切需要技術。

目前，氧化石墨烯在水泥基復合材料中的應用受到了人們的重視，氧化石墨烯用于水泥基材料的主要作用是通過氧化石墨烯納米片層的模板效應調控水泥水化產物的結構和聚集態結構，促使水泥基材料形成規整均勻致密的結構，能夠提高水泥基材料的強度和韌性能夠，能夠減少或者消除由于結構不均勻的收縮膨脹導致的裂縫、滲漏等問題，這方面需要的是高氧化度的氧化石墨烯(含氧量大于30％)，一般通過Hummers方法制備。水泥基材料一直存在的主要問題是裂縫和脆性，而產生裂縫的主要原因是由水泥水化熱不易散發造成的裂縫，混凝土的導熱系數為1.6W/(m·K)左右，金屬銅的導熱系數401W/(m·K)，水在27℃的導熱系數為0.6084W/(m·K)。石墨烯是目前導熱性能最好的導熱材料，導熱系數達到了5300W/(m·K)，通過摻入石墨烯可以提高混凝土的導熱系數，提高水泥水化熱的分散而消除水化熱引起的裂縫。但是石墨烯是疏水性納米材料，無法摻入均勻地分散到水泥基體中并形成良好均勻的分散，而氧化石墨烯納米片層具有親水性，可以在混凝土的拌合制備過程中摻入水泥基體中。氧化石墨烯由于在氧化過程中對石墨烯的六方蜂窩晶體結晶結構產生了部分破壞，氧化石墨烯的導熱率比起石墨烯導熱率有所降低，含氧量為35.21％和16.21％的氧化石墨烯膜的導熱率分別為36W/(m·K)和373W/(m·K)，原因是通過Hummers法制備過程是其氧化劑對于石墨烯的二維完美晶體結構產生了較大的破壞，片層上較多的含氧基團及小尺寸使得其熱阻很大。氧化石墨烯在水泥基材料中用于調控水化產物結構的氧化度高，摻量一般為0.03％左右，摻量較小，不能形成連續的導熱通路，對于水泥基材料的導熱系數影響不大。要提高水泥基材料的導熱性能，就要提高氧化石墨烯的摻量，通過Hummers法制備氧化石墨烯，其產生的環境污染問題及價格是無法實現的。因此，必須尋求新的低氧化度氧化石墨烯的制備方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種價格低廉、產生效率高、無污染，能夠大量生產的低度氧化石墨烯納米片層粉體及其制備方法及應用，將其應用于水泥基復合材料，可顯著提高水泥基復合材料微觀結構的密實性和耐久性。