一种易分散石墨烯粉体的制备方法及利用该方法制备的石墨烯粉体技术

本发明专利技术公开了一种易分散石墨烯粉体的制备方法及利用该方法制备的石墨烯粉体，其方法括如下步骤：1)将洗涤干净的氧化石墨烯滤饼分散在水中，加入分散剂使其与氧化石墨烯充分混合；2)将混合后的产物离心，干燥、还原即可得到易分散的石墨烯粉体。本发明专利技术方法制备的石墨烯粉体比表面积大，振实密度较高，容易在水、有机体系和高分子体系中均匀分散，在复合材料、电池或电容等领域具有广泛的应用前景。经试验，本发明专利技术得到的石墨烯粉体在水或甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙二醇等有机溶剂中容易分散，粒径为0.5～2μm，层数为1～5层，分散液稳定性好，存放一个月内无沉降。在高分子体系中能均匀分散。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种石墨烯粉体的制备工艺，属于无机合成领域。
技术介绍
目前，石墨烯粉体的制备工艺一般是石墨先通过氧化工艺，再经过热还原工艺制备得到。但是石墨烯粉体在溶剂或基体材料中的分散性是制约石墨烯下游应用的最大难题。石墨烯粉体在溶剂中的分散程度决定了石墨烯浆料的稳定性和易用性。在复合材料中，如果石墨烯在基体材料中分散良好，很少的添加量就可以显著提升复合材料的力学和电学、热学性能；反之分散不好，则会使材料微观结构中存在大量的薄弱点，不仅不能提升材料的导电、导热性能，反而使复合材料变脆，容易折断。在实际应用中，由于石墨烯密度较小，片层间作用力较强，因此在复合材料中很难达到理想的分散效果。而在之前的技术中没有人在氧化石墨烯阶段加入分散剂来改善其分散性，因此为了减小石墨烯粉体的分子间作用力，将分散剂插入单层或少层石墨烯的片层之间，不仅避免了石墨烯片层的再次堆叠，还能改善石墨烯与溶剂和基体材料的相容性，从而轻易地在介质中实现较理想的石墨烯分散状态，将石墨烯在复合材料中的作用最大化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了在水等极性溶剂以及非极性溶剂中的分散性更高的易分散石墨烯粉体的制备方法；本专利技术的另一目的是提供上述方法制备而成的石墨烯粉体产品。本专利技术的目的通过以下技术方案来具体实现：一种易分散石墨烯粉体的制备方法，包括如下步骤：1)将洗涤干净的氧化石墨烯滤饼分散在水中，加入分散剂使其与氧化石墨烯充分混合；2)将混合后的产物离心，干燥、还原即可得到易分散的石墨烯粉体。优选的，所述步骤1)中的氧化石墨烯滤饼是采用Hummers法或改进的Hummers
法制备而成，具体工艺为：在浓硫酸(可加入磷酸、硝酸钠等提高氧化性)中用高锰酸钾将石墨氧化剥离为氧化石墨烯，再将此溶液过滤、洗涤而成。这种方法得到的氧化石墨烯具有良好的分散性和均一性。优选的，所述分散剂采用聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、十二烷基磷酸酯钾、十二烷基苯磺酸钠、乙二胺四乙酸钠或柠檬酸钠中的一种或几种的混合物；优选的，所述分散剂采用十二烷基苯磺酸钠。分散剂的选择原则：应该选择表面带负离子的分散剂，可以均匀地插层到氧化石墨烯的片层之间，有效防止片层的重新堆叠。优选的，所述氧化石墨烯与分散剂的质量比为10-1000：1，优选100:1。优选的，所述步骤1)中，采用均质乳化机和/或细胞破碎机进行混合。优选的，先采用均质乳化机处理后再采用细胞破碎机处理。优选的，乳化机处理时，其线速度为2～10m/s，例如：2m/s、3m/s、5m/s、5.5m/s、6m/s、7m/s、7.5m/s、8m/s、9m/s、10m/s，等。线速度更优选为4～6m/s，例如：4m/s、4.3m/s、4.5m/s、4.7m/s、5m/s、5.2m/s、5.4m/s、5.8m/s、6m/s，等；优选的，细胞破碎机处理时，其功率为200～400W，例如：200W、230W、250W、260W、300W、340W、390W、400W，等。进一步优选功率为260-270W，例如：260W、262W、263W、265W、266W、269W、270W，等。优选的，步骤1)的混合过程：先采用乳化机处理15-25min，再采用细胞破碎机处理60～90min；进一步优选的，先采用乳化机处理20min，再采用细胞破碎机处理70min。优选的，所述步骤2)中，所述干燥、还原相结合完成，即：先进行冷冻干燥，再进行微波加热和/或烘箱加热。优选的，具体工艺参数为：所述冷冻干燥的的温度为-50～0℃，优选为-10～-4℃，进一步优选为-7℃；所述冷冻干燥的时间为0.5～3d，优选1～2d，进一步优选1d；所述微波加热的功率为500～900W，优选600～700W，进一步优选630W；所述微波加热的时间10～40min，优选20～30min；所述烘箱的温度为200～1000℃，优选300～800℃，进一步优选为350℃；所述烘
箱加热的时间为30～120min，优选60min。作为最佳的干燥、还原工艺条件，所述步骤2)中，所述干燥、还原的工艺条件为：先-7℃下冷冻干燥1d，再630W的功率下微波加热25min。上述的方法制得的易分散石墨烯粉体，含有分散剂的量为0.1％～10％，优选1％。本专利技术原理：1、现有技术中，为了使石墨烯最有更好的分散性，利用分散剂在制备好的干燥的石墨烯粉体的基础上进行插层或接枝，但是鉴于纳米材料在干燥过程中容易团聚，因此采取先干燥再分散的方法，但实际上这样的处理，分散剂依然很难完全扩散进石墨烯的片层之间，本专利技术摒弃传统思路，采用湿法处理，即在未干燥和还原前即加入分散剂可避免石墨烯干燥时的堆叠，并有效阻止了团聚，而且加入的分散剂有利于提高石墨烯在相应溶剂或基材中的相容性。本专利技术采用整体思路是在干燥石墨烯制备过程中，在氧化石墨烯还原到石墨烯之前先进行分散剂的插层，通过改变工艺条件，将干燥与还原结合进行，最终所得到的石墨烯粉由于分散剂的均匀有效的插层，防止了石墨烯片层的二次团聚；2、本专利技术采用的分散剂是针对氧化石墨烯到石墨烯这种变化过程中进行作用，与石墨烯片层间相互作用力为分子间力，防止了石墨烯片层之间的贴合；3、本专利技术另一重要专利技术点是在分散时选用了并非本领域常规的分散设备，使氧化石墨烯与分散剂可以均匀的结合起来，分散设备简单，操做简便，且在分散中可避免现有技术中常用的超声分散方法，防止超声对石墨烯片层的破坏。5、本专利技术巧妙的通过不同的干燥/还原工艺，不仅保全了分散剂不被破坏，以及保证了氧化石墨烯在还原的过程中分散剂的结合力不被破坏，同时，使氧化石墨烯更加容易还原，无需苛刻的条件，在300℃左右即可还原成石墨烯。本专利技术的有益效果是：本专利技术方法制备的石墨烯粉体比表面积大，振实密度较高，容易在水、有机体系和高分子体系中均匀分散，在复合材料、电池或电容等领域具有广泛的应用前景。经试验，本专利技术得到的石墨烯粉体在水或甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙二醇等有机溶剂中容易分散，粒径为0.5～2μm，层数为1～5层，分散液稳定性好，存放一个月内无沉降。在
高分子体系中能均匀分散。说明书附图图1为本专利技术中氧化石墨烯与分散液混合过程的原理示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。以下实施例所用的氧化石墨烯滤饼均是采用Hummers法或改进的Hummers法制备而成，具体工艺为：在浓硫酸(可加入磷酸、硝酸钠等提高氧化性)中用高锰酸钾将石墨氧化剥离为氧化石墨烯，再将此溶液过滤、洗涤而成。实施例1：一种易分散石墨烯粉体的制备方法，整体上包括两大步骤：1)将洗涤干净的氧化石墨烯滤饼分散在水中，加入分散剂使其与氧化石墨烯充分混合；2)将混合后的产物离心，干燥、还原即可得到易分散的石墨烯粉体。本专利技术方法的工艺要素：要素A：氧化石墨烯与分散剂的质量比为100：1。要素B：所述氧化石墨烯滤饼，是在Hummers法或改进的Hummers法制备石墨烯的过程中所得到的在未干燥之前且未进行还原的氧化石墨烯，利用氧化石墨烯的界面能高的特点，使其与分散剂充分混合。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种易分散石墨烯粉体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)将洗涤干净的氧化石墨烯滤饼分散在水中，加入分散剂使其与氧化石墨烯充分混合；2)将混合后的产物离心，干燥、还原即可得到易分散的石墨烯粉体。

【技术特征摘要】
1.一种易分散石墨烯粉体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)将洗涤干净的氧化石墨烯滤饼分散在水中，加入分散剂使其与氧化石墨烯充分混合；2)将混合后的产物离心，干燥、还原即可得到易分散的石墨烯粉体。2.根据权利要求1所述的易分散石墨烯粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的氧化石墨烯滤饼是采用Hummers法或改进的Hummers法制备而成，具体工艺为：在浓硫酸中用高锰酸钾将石墨氧化剥离为氧化石墨烯，再将此溶液过滤、洗涤而成。3.根据权利要求1所述的易分散石墨烯粉体的制备方法，其特征在于：所述分散剂采用聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、十二烷基磷酸酯钾、十二烷基苯磺酸钠、乙二胺四乙酸钠、柠檬酸钠中的一种或几种的混合物；优选的，所述分散剂采用十二烷基苯磺酸钠。所述氧化石墨烯与分散剂的质量比为10-1000：1，优选100:1。4.根据权利要求1所述的易分散石墨烯粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，采用均质乳化机和/或细胞破碎机进行混合，优选的，先采用均质乳化机处理后再采用细胞破碎机处理。5.根据权利要求4所述的易分散石墨烯粉体的制备方法，其特征在于：乳化机处理时，其线速度为2～10m/s，优选4～6m/s；细胞破碎机处理时，其功率为200～400W，优选260-270W。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：马宇飞，邓晓梅，葛明，王炳霁，瞿研，
申请(专利权)人：常州第六元素材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32