本發(fā)明涉及一種親水性石墨烯及其制備方法，屬于石墨烯材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，其就一直備受來自物理和材料領(lǐng)域研究者的普遍青睞。石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。盡管石墨烯只有一個碳原子層厚度，并且是已知材料中最薄的一種，然而卻非常牢固堅硬。石墨烯也是目前已知導電性最出色的材料。此外，石墨烯還有許多優(yōu)異的性能：如較高的楊氏模量、熱導率、巨大的比表面積等等。由于石墨烯的特殊性能，它在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學、傳感器、儲能等方面均有廣泛的應(yīng)用。但是石墨烯在水中的聚沉現(xiàn)象嚴重影響了石墨烯這種優(yōu)良材料的應(yīng)用。

因此，提供一種親水性石墨烯及其制備方法已經(jīng)成為本領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述的缺點和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種親水性石墨烯的制備方法。

本發(fā)明的目的還在于提供上述親水性石墨烯的制備方法得到的親水性石墨烯。

為達到上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種親水性石墨烯的制備方法，其包括以下步驟：

(1)、將石墨粉、添加劑及液態(tài)插層介質(zhì)加入球磨罐后，密封該球磨罐；其中，所述石墨粉與添加劑的質(zhì)量比為5-20:1，液態(tài)插層介質(zhì)按每克石墨粉0-1.5mL進行添加；

(2)、向所述球磨罐中通入氣態(tài)插層介質(zhì)，并通過調(diào)節(jié)氣態(tài)插層介質(zhì)的進氣量使壓力控制在2-12MPa，在該壓力下，將體系溫度升至35-150℃進行球磨原位輔助分子插層反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，得到所述親水性石墨烯。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，其中，本發(fā)明對所用石墨粉不作具體要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需要選擇合適的石墨粉，在本發(fā)明具體實施方式中，所用石墨粉包括膨脹石墨粉及鱗片石墨。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，其中，步驟(1)中對石墨粉、添加劑及液態(tài)插層介質(zhì)的加入順序不作要求。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，步驟(1)中所述液態(tài)插層介質(zhì)按每克石墨粉0.5-1.5mL進行添加。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，步驟(1)中所述添加劑包括十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)中的一種或幾種的組合。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，步驟(1)中所述液態(tài)插層介質(zhì)包括乙醇和/或水。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，步驟(2)中所述氣態(tài)插層介質(zhì)包括二氧化碳、氮氣及丙烷中的一種。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，步驟(2)中所述球磨罐球磨轉(zhuǎn)速為100-1000rpm，反應(yīng)時間為0.5-8h。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，該方法還包括以下步驟：

反應(yīng)結(jié)束，對所述球磨罐進行泄壓后再將其冷卻，取出產(chǎn)物；該產(chǎn)物經(jīng)洗滌、過濾后干燥，得到所述親水性石墨烯。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，所述泄壓為通過放氣閥將球磨罐內(nèi)表壓泄壓至0MPa。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，所述冷卻為在空氣條件下將球磨罐冷卻至室溫。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，洗滌所用的溶劑包括去離子水和無水乙醇。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選地，所述干燥為70-80℃干燥6-12h。

根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，本發(fā)明所用的球磨罐為本領(lǐng)域使用的常規(guī)設(shè)備，在本發(fā)明具體實施方式中，所用球磨罐為垂直攪拌高速球磨機，此外，本發(fā)明對球磨機配球材質(zhì)并無特殊要求，而配球尺寸應(yīng)以較小為宜并能在攪拌的帶動下達到均勻轉(zhuǎn)動效果。

另一方面，本發(fā)明還提供了上述親水性石墨烯的制備方法制備得到的親水性石墨烯。

本發(fā)明所提供的親水性石墨烯的制備方法是基于壓力條件下通過分子插層和球磨原位輔助法剝離石墨，制備過程中再添加其它的添加劑，在一定的溫度、壓力下，石墨片層在所有物質(zhì)的作用下，剝離成親水性良好的石墨烯。

制備過程中，插層介質(zhì)在一定的溫度、壓力條件下能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的分散性，較容易插層進入石墨片層間距中，在分子插層的基礎(chǔ)上，再通過球磨提供的層間剪切力達到剝離石墨片層的目的，而添加劑所含的親水基團與石墨烯之間進行嫁接、插層或者表面修飾，最終制備得到親水性石墨烯。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的親水性石墨烯的制備方法所用裝置的示意圖；

圖2a為本發(fā)明實施例1中膨脹石墨粉原料的透射電鏡圖；

圖2b為本發(fā)明實施例1中制備得到的親水性石墨烯的透射電鏡圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)結(jié)合以下具體實施例及說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定。

實施例1

本實施例提供了一種親水性石墨烯的制備方法，其包括以下步驟：

將膨脹石墨粉、PVP和乙醇添加進球磨罐中，其中膨脹石墨粉與PVP的質(zhì)量比為10:1，乙醇按1mL/(g石墨粉)添加，封閉球磨罐；

通過球磨罐上進口管路通入CO₂氣體，調(diào)節(jié)進氣量使壓力控制在10MPa；

設(shè)定反應(yīng)溫度為50℃(升溫過程中罐內(nèi)壓力會發(fā)生變化，調(diào)節(jié)出口閥使壓力保持在10MPa)，待溫度達到50℃，設(shè)定轉(zhuǎn)速為300rpm，反應(yīng)時間2小時；

待反應(yīng)結(jié)束，通過放氣閥泄壓至罐內(nèi)表壓為0MPa，反應(yīng)裝置(如圖1所示)在空氣條件下冷卻至室溫后即可開罐，取出產(chǎn)物；

將產(chǎn)物用去離子水和無水乙醇洗滌過濾，然后放置于干燥箱內(nèi)在70℃溫度條件下干燥，即可得到PVP修飾的親水性石墨烯。

對膨脹石墨粉原料及本實施例制備得到的親水性石墨烯分別進行透射電鏡分析，二者的透射電鏡圖分別如圖2a及圖2b所示，從圖2a及圖2b中可以看出，透射電鏡下將石墨原料和本實施例制備得到的親水性石墨烯的層數(shù)進行對比可知，通過球磨原位輔助分子插層可以將石墨原料剝離得到寡層石墨烯。

再對以膨脹石墨粉為原料采用現(xiàn)有技術(shù)中方法制備得到的石墨烯及本實施例制備得到的親水性石墨烯分別進行水分散測試，即：分別在15mL水中分散15mg本實施例制備得到的親水性石墨烯及采用現(xiàn)有技術(shù)中方法制備的石墨烯，得到近千分之一的溶解度，然后再對這兩個分散體系進行靜置穩(wěn)定性測試。

測試結(jié)果表明：放置20天以后，該親水性石墨烯分散體系仍能保持很穩(wěn)定的狀態(tài)，而以膨脹石墨粉為原料制備的石墨烯分散體系在一個小時左右即會完全沉降。水分散測試實驗結(jié)果表明：相比于普通方法制備的石墨烯而言，采用本發(fā)明所提供的制備方法制備得到的親水性石墨烯能夠保持非常好的穩(wěn)定性。

實施例2

本實施例提供了一種親水性石墨烯的制備方法，其包括以下步驟：

將膨脹石墨粉、SDBS和乙醇添加進球磨罐中，其中膨脹石墨粉和SDBS的質(zhì)量比為10:1，乙醇按1mL/(g石墨粉)添加，封閉球磨罐；

通過球磨罐上進口管路通入CO₂氣體，調(diào)節(jié)進氣量使壓力控制在12MPa；

設(shè)定反應(yīng)溫度為45℃(升溫過程中罐內(nèi)壓力會發(fā)生變化，調(diào)節(jié)出口閥使壓力保持在10MPa)，待溫度達到45℃，設(shè)定轉(zhuǎn)速為200rpm，反應(yīng)時間2小時；

待反應(yīng)結(jié)束，通過放氣閥泄壓至罐內(nèi)表壓為0MPa，反應(yīng)裝置在空氣條件下冷卻至室溫后即可開罐，取出產(chǎn)物；

將產(chǎn)物用去離子水和無水乙醇洗滌過濾，然后放置于干燥箱內(nèi)在70℃溫度條件下干燥，即可得到SDBS修飾的親水性石墨烯。

實施例3

本實施例提供了一種親水性石墨烯的制備方法，其包括以下步驟：

將鱗片石墨、PVP和乙醇添加進球磨罐中，其中鱗片石墨和PVP的質(zhì)量比為20:1，乙醇按1mL/(g石墨粉)添加，封閉球磨罐；

通過球磨罐上進口管路通入CO₂氣體，調(diào)節(jié)進氣量使壓力控制在11MPa；

設(shè)定反應(yīng)溫度為45℃(升溫過程中罐內(nèi)壓力會發(fā)生變化，調(diào)節(jié)出口閥使壓力保持在10MPa)，待溫度達到45℃，設(shè)定轉(zhuǎn)速為400rpm，反應(yīng)時間為3小時；

待反應(yīng)結(jié)束，通過放氣閥泄壓至罐內(nèi)表壓為0MPa，反應(yīng)裝置在空氣條件下冷卻至室溫后即可開罐，取出產(chǎn)物；

將產(chǎn)物用去離子水和無水乙醇洗滌過濾，然后放置于干燥箱內(nèi)在75℃溫度條件下干燥，即可得到PVP修飾的親水性石墨烯。

實施例4

本實施例提供了一種親水性石墨烯的制備方法，其包括以下步驟：

將鱗片石墨、PDDA和乙醇添加進球磨罐中，其中鱗片石墨和PDDA的質(zhì)量比為5:1，乙醇按0.5mL/(g石墨粉)添加，封閉球磨罐；

通過球磨罐上進口管路通入N₂氣體，調(diào)節(jié)進氣量使壓力控制在3.6MPa；

設(shè)定反應(yīng)溫度為35℃(升溫過程中罐內(nèi)壓力會發(fā)生變化，調(diào)節(jié)出口閥使壓力保持在3.6MPa)，待溫度達到35℃，設(shè)定轉(zhuǎn)速為900rpm，反應(yīng)時間為6小時；

待反應(yīng)結(jié)束后，通過放氣閥泄壓至罐內(nèi)表壓為0MPa，反應(yīng)裝置在空氣條件下冷卻至室溫后即可開罐，取出產(chǎn)物；

將產(chǎn)物用去離子水和無水乙醇洗滌，過濾，然后放置于干燥箱內(nèi)在70℃溫度條件下干燥，即可得到PDDA修飾的親水性石墨烯。

實施例5

本實施例提供了一種親水性石墨烯的制備方法，其包括以下步驟：

將膨脹石墨粉、SDBS和乙醇添加進球磨罐中，其中膨脹石墨粉和SDBS的質(zhì)量比為10:1，乙醇按1mL/(g石墨粉)添加，封閉球磨罐；

通過球磨罐上進口管路通入丙烷氣體，調(diào)節(jié)進氣量使壓力控制在5MPa；

設(shè)定反應(yīng)溫度為130℃(升溫過程中罐內(nèi)壓力會發(fā)生變化，調(diào)節(jié)出口閥使壓力保持在5MPa)，待溫度達到130℃，設(shè)定轉(zhuǎn)速為600rpm，反應(yīng)時間為7小時；

待反應(yīng)結(jié)束后，通過放氣閥泄壓至罐內(nèi)表壓為0MPa，反應(yīng)裝置在空氣條件下冷卻至室溫后即可開罐，取出產(chǎn)物；

將產(chǎn)物用去離子水和無水乙醇洗滌，過濾，然后放置于干燥箱內(nèi)在80℃溫度條件下干燥，即可得到SDBS修飾的親水性石墨烯。