专利名称：利用有机链段调控溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化石墨烯的表面修饰改性技术及其在水和众多有机溶剂中的 分散技术。特别是能通过改变有机链段实现功能性氧化石墨烯溶剂分散性能的可控性，且 能在低极性、低沸点溶剂中得到分散的一种氧化石墨烯及其制备方法。
背景技术：
石墨烯是是构建零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨的基本单元，具备独特的载 流子特性和优异的电学性能。2004年，Andre K. Geim研究组成功制备了单原子层和有限原 子层厚的石墨层。自此，石墨烯已成为物理学、化学、材料学领域的国际热点课题之一。其中，一个最具有吸引力的领域就是把石墨烯均勻的掺杂到高分子体系中，构建 以碳为基底的复合纳米材料，实现其可控功能化。然而，结构完整的石墨烯是由不含任何 不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质 (如溶剂等)的相互作用较弱，并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力，容易产生聚集， 使其难溶于水及常用的有机溶剂，这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难。氧化石墨烯(graphene oxide)是石墨烯的重要派生物，它的结构与石墨烯大体 相同，只是在一层碳原子构成的二维空间无限延伸的基面上连有羰基、羟基、羧基等的官能 团。理论上认为完美的石墨烯表面无任何含氧功能团，而氧化石墨烯表面含有大量功能性 基团，如-OH、-C00H、-0-、C = O等，这些功能性基团的存在，使得不同片层的官能团之间产 生相互排斥的作用，可以使石墨片有一定程度的剥离，并赋予了氧化石墨烯一些新的特性。 也正是由于这些含氧基团的存在，氧化石墨更倾向于分散在水中，使得在有机溶剂和有机 基体中的应用受到了限制。为解决以上问题，充分发挥其优良性质，改善在溶剂中和在基体中的分散性，氧化 石墨烯的改性和功能化已成为关注的焦点，也是目前最重要和最具挑战的工作之一。功能 化的石墨烯(functionalized graphene)将为化学和材料领域提供新的机遇。目前，对于氧化石墨烯的改性的方法主要有添加表面活性剂和有机功能化两大 类。有机功能化仍然占有主导地位。例如异氰酸酯法，硅烷化法，偶联剂法等。通过这些改 性的方法可以破坏氧化石墨层之间的氢键，使得改性后的氧化石墨烯能在有机溶剂中有很 好的分散° (1. Sasha Stankovich, Richard D. Piner, SonBinh Τ. Nguyen, Rodney S. Ruoff. Synthesis and exfoliation of isocyanate-treated graphene oxide nanoplatelets. Carbon. 2006,44 :3342-3347. 2. Sandip Niyogi,Elena Bekyarova,Mikhai1 E. Itkis,Jared L. Mcffilliams, Mark A. Hamon, Robert C. Haddon. Solution Properties of Graphite and Graphene. J. Am. Chem. Soc.，2006，128 (24) :7720_7721)利用上述方法改性的氧化石墨烯在有机溶剂中的分散性虽然得到了很好的提高， 但却丧失了在水中的分散能力。而且，改性的石墨烯材料大都可分散在DMF，DMSO等强极 性、沸点较高的溶剂中。而在低沸点、低极性溶剂，如二氯甲烷、石油醚、环己烷等却不能使其分散。工业上，为满足用途和环境的要求，需要米用具有不同分散性能的功能化氧化石墨 烯来制备新颖的纳米复合材料。例如，用于染料填料的有机溶剂/水互变分散体系和防水 材料的疏水分散体系等等。因此研究有机修饰分子调控氧化石墨烯的溶剂分散性能具有很重要的理论意义 和实践意义，它将对制备纳米复合材料有一定的指导作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以在不同种类溶剂，尤其是低极性、低沸点的溶剂 中能良好分散及通过改变有机链段调控其溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯及其制备方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种利用有机链段调控溶剂分散性能的功能 化氧化石墨烯，结构式如下
R=R1.R2.R权利要求
一种利用有机链段调控溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯，其特征在于结构式如下R＝R1，R2，R3FSA00000250104900011.tif,FSA00000250104900012.tif
2.一种利用有机链段调控溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯的制备方法，其特征在于 包括以下步骤第一步，将用Hummers方法制备的氧化石墨在N，N- 二甲基甲酰胺DMF中进行分散，形 成均勻的分散液；第二步，将二氯亚砜试剂加入到第一步所得的产物中进行回流反应，合成酰氯活化的 氧化石墨中间产物；第三步，减压蒸馏第二步得到的混合液，除去多余的二氯亚砜；第四步，向第三步的产物中加入吡啶、接枝有机分子或聚合物分子以后，加热并搅拌该 混合物；第五步，将第四步得到的混合液抽滤、洗涤干燥，得到功能化氧化石墨烯。
3.根据权利2所述的利用有机链段调控溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯的制备 方法，其特征在于氧化石墨的质量与二氯亚砜的体积之比为5 1 10 1，其中氧化 石墨的用量以毫克计，二氯亚砜以毫升计，氧化石墨与有机分子的质量之比为24 1 160 1，其中氧化石墨的用量以毫克计，有机分子以克计。
4.根据权利2所述的利用有机链段调控溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯的制备方 法，其特征在于第二步的反应温度为70 80°C，反应时间为20 30小时。
5.根据权利2所述的利用有机链段调控溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯的制备方 法，其特征在于第四步中的有机分子为十八醇、乙二醇单甲醚、二乙二醇单甲醚和不同平 均分子量的聚乙二醇包括聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇1000、聚乙二醇2000、聚乙 二醇 4000。
6.根据权利2所述的利用有机链段调控溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯的制备方 法，其特征在于第四步中加入吡啶作为催化剂和缚酸剂以加快反应速度，加入吡啶的量为 15-30mL。
7.根据权利2所述的利用有机链段调控溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯的制备方 法，其特征在于第四步的加热温度为Iio 130°C，搅拌时间是3 4天。
全文摘要
本发明公开了一种利用有机链段调控溶剂分散性能的功能化氧化石墨烯及其制备方法，结构式如下R＝R1，R2，R3第一步，将用Hummers方法制备的氧化石墨在N，N-二甲基甲酰胺中进行分散，形成均匀的分散液；第二步，将二氯亚砜试剂加入到第一步所得产物中进行回流反应，合成酰氯活化的氧化石墨中间产物；第三步，减压蒸馏第二步得到的混合液，除去多余的二氯亚砜；第四步，向第三步的产物中加入吡啶、接枝有机分子后，加热并搅拌该混合物；第五步，将第四步得到的混合液抽滤、洗涤干燥。本发明可在不同种类溶剂，尤其是低极性、低沸点的溶剂中能良好分散，可以和许多聚合物分子良好的相容，使制备纳米粒子/聚合物纳米复合材料成为可能，具有较好的应用前景和经济效益。
文档编号C01B31/00GK101935030SQ20101026778
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者张树鹏, 朱俊武, 杨绪杰, 汪信, 熊攀 申请人:南京理工大学