一种石墨烯分散液、其制备方法及应用与流程

本发明涉及一种石墨烯分散液，尤其涉及一种浓度较高且能够稳定存在的石墨烯水分散液、其制备方法与应用，属于纳米级石墨材料技术领域。

背景技术：

石墨烯是一种被誉为“材料之王”的新型碳纳米材料。自从2004年由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现以来，石墨烯一直是人们的研究热点，它由单层碳原子组成，具有优异的电学、机械、光学和热学等方面的特性，在复合材料、储能材料、电池材料、电子器件、生物材料等领域具有广泛的应用前景。

然而，在实际应用过程中如何获得稳定性较好的石墨烯分散液是一个亟待解决的难题。由于石墨烯表面呈惰性状态，化学结构较稳定，很难与其他介质间进行相互作用，同时石墨烯片层之间的作用力比较强，极易造成石墨烯之间的团聚。石墨烯在极性溶剂中较差的分散稳定性限制了其在诸多领域的实际应用。

目前，制备高浓度、高稳定性石墨烯分撒液是解决石墨烯下游应用的一项重要技术。现阶段石墨烯分散液的制备通常是在制备过程中添加偶联剂、改性剂进行石墨烯的修饰，但是这种工艺方法操作比较复杂，得到的分散液性能并不理想而且浓度较低，同时所添加的分散剂作为杂质也会在一定程度上影响其后续应用。

例如，

cn106185895a公开了一种石墨烯分散液的制备方法，包括：将石墨烯与分散剂溶液混合，经一次高剪切液相剥离和二次高压剥离，获得一种稳定的石墨烯分散液。

cn104556020a公开了一种石墨烯乙醇分散液的制备方法，包括：先将石墨粉溶入n-甲基吡咯烷酮中进行超声剥离得到石墨烯的n-甲基吡咯烷酮溶液，再通过离心筛选处理得到片径均匀的石墨烯的n-甲基吡咯烷酮溶液，再经过滤烘干处理得到石墨烯固体，将得到的石墨烯固体分散到乙醇中，经多次超声、过滤得到石墨烯乙醇分散液。

但是前述的现有制备方法在分散剂选择、制备工艺上都存在一定的问题。例如，一般的分散剂会破坏分散液中石墨烯的结构，引入杂质，影响其后续应用，同时制备工艺比较复杂，所需设备要求高，且不利于产业化制备石墨烯分散液。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种石墨烯分散液及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的又一目的在于提供前述石墨烯分散液的用途。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种石墨烯分散液的制备方法，其包括：

提供分散剂，所述分散剂包括纳米级氧化石墨烯；

将平均粒径小于等于70μm的分散剂及溶剂混合均匀，并进行超声辅助搅拌，获得石墨烯分散液。

作为优选方案之一，所述制备方法包括：

将所述纳米级氧化石墨烯加入溶剂中，并超声10～30min，所述超声的功率为60～90hz，得到纳米氧化石墨烯溶液；

向所述纳米氧化石墨烯溶液中加入石墨烯，并进行超声辅助搅拌，获得所述石墨烯分散液。

优选的，所述溶剂包括水；尤其优选的，所述溶剂为去离子水。

进一步的，所述纳米级氧化石墨烯的层数为1～5层，平均片径为10～200nm。

进一步的，在所述纳米级氧化石墨烯中氧原子与碳原子的质量比为1:2～1:5。

优选的，在所述石墨烯分散液中，所述纳米级氧化石墨烯的浓度为0.1～4mg/ml。

进一步的，在所述石墨烯分散液中，所述石墨烯的浓度为2～20mg/ml。

优选的，所述石墨烯的平均粒径为50nm～70μm。

优选的，所述石墨烯与纳米级氧化石墨烯的质量比为(0.001～2)：(0.01～0.2)。

作为优选方案之一，所述超声辅助搅拌的搅拌速度为400～800r/min，搅拌时间为3～5h。

本发明实施例还提供了由前述方法制备的石墨烯分散液，其包括石墨烯、分散剂及溶剂，所述分散剂包括纳米级氧化石墨烯。

作为优选方案之一，所述石墨烯分散液包括按照质量百分比计算的如下组分：0.001～2％的石墨烯、0.01～0.2％的分散剂及余量的溶剂。

本发明实施例还提供了前述的石墨烯分散液在制备润滑材料、导热材料、抗静电材料、导电油墨、电子产品的电磁屏蔽材料、锂离子电池的导电添加剂、微波吸收材料中的用途。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1.本发明提供的石墨烯分散液的制备方法与现有技术相比，工艺简单，而且所选分散剂具有π键和亲水基团，既可以与石墨烯有良好的结合，又可在溶剂中具有良好的溶解性，所以添加制备而成的分散剂可有效提高石墨烯的分散性，而且不会在石墨烯分散体系中引入杂质，从而很好的保存了石墨烯电学方面的性能；

2.本发明提供的石墨烯分散液以纳米级氧化石墨烯作为分散剂，稳定性好、分散均匀、浓度高、可长期保存，静置两个月未见沉淀，可应用于润滑材料、导热材料、抗静电材料、导电油墨、电子产品的电磁屏蔽材料、锂离子电池的导电添加剂、微波吸收材料等领域。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的氧化石墨烯溶液的照片示意图；

图2为本发明实施例1所制备的石墨烯分散液静置2个月后的照片示意图；

图3为本发明实施例4所制备的石墨烯分散液静置2个月后的照片示意图；

图4为本发明对比例2所制备的石墨烯分散液静置2小时后的照片示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，主要是用纳米级氧化石墨烯作为分散剂，将不同规格纳米级氧化石墨、石墨烯及溶剂烯按照一定的质量比混合，经超声辅助搅拌，即可得到分散性良好的石墨烯分散液。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供了一种石墨烯分散液的制备方法，其包括：

提供分散剂，所述分散剂包括纳米级氧化石墨烯；

将平均粒径小于等于70μm的石墨烯、分散剂及溶剂混合均匀，并进行超声辅助搅拌，获得石墨烯分散液。

作为优选方案之一，所述制备方法包括：

将所述纳米级氧化石墨烯加入溶剂中，，并超声10～30min，所述超声的功率为60～90hz，得到纳米氧化石墨烯溶液；

向所述纳米氧化石墨烯溶液中加入石墨烯，并进行超声辅助搅拌，获得所述石墨烯分散液。

优选的，所述溶剂包括水；尤其优选的，所述溶剂选自于去离子水。

进一步的，所述纳米级氧化石墨烯的层数为1～5层，平均片径为10～200nm。

进一步的，在所述纳米级氧化石墨烯中氧原子与碳原子的原子比(即o：c)为1:2～1:5。

优选的，在所述石墨烯分散液中，所述纳米级氧化石墨烯的浓度为0.1～4mg/ml。

进一步的，在所述石墨烯分散液中，所述石墨烯的浓度为2～20mg/ml。

优选的，所述石墨烯的平均粒径为50nm～70μm。

优选的，所述石墨烯与纳米级氧化石墨烯的质量比为(0.001～2)：(0.01～0.2)。

作为优选方案之一，所述超声辅助搅拌的搅拌速度为400～800r/min，搅拌时间为3～5h。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种石墨烯分散液，其包括石墨烯、分散剂及溶剂，所述分散剂包括纳米级氧化石墨烯，所制备的石墨烯分散液分散稳定性较好，静置两个月未见沉淀。

作为优选方案之一，所述石墨烯分散液包括按照质量百分比计算的如下组分：0.001～2％的石墨烯、0.01～0.2％的分散剂及余量的溶剂。

本发明所述的石墨烯分散液，当石墨烯、分散剂及溶剂的总重量为100份时，石墨烯为0.001～2重量份，分散剂为0.01～0.2重量份，其余为溶剂。

优选的，所述石墨的平均粒径小于等于70μm，尤其优选为50nm～70μm。

优选的，所述溶剂包括水，尤其选自于去离子水。

优选的，在所述石墨烯分散液中，所述纳米级氧化石墨烯的浓度为0.1～4mg/ml。

进一步的，在所述石墨烯分散液中，所述石墨烯的浓度为2～20mg/ml。

进一步的，所述纳米级氧化石墨烯的层数为1～5层，平均片径为10～200nm。

进一步的，在所述纳米级氧化石墨烯中氧原子与碳原子的原子比(即o：c)为1:2～1:5。

本发明实施例还提供了前述的石墨烯分散液在制备润滑材料、导热材料、抗静电材料、导电油墨、电子产品的电磁屏蔽材料、锂离子电池的导电添加剂、微波吸收材料中的用途。

综上所述，本发明提供的石墨烯分散液选用纳米级氧化石墨烯作为分散剂，参阅图1所示，由于纳米级氧化石墨烯具有π键和亲水基团，既可以与石墨烯有良好的结合，又可在溶剂中具有良好的溶解性，所以添加制备而成的分散剂可有效提高石墨烯的分散性，进而获得稳定性好、分散均匀、浓度高、可长期保存的石墨烯分散液。

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。

实施例1

(1)称取10mg平均片径为10nm、平均氧原子与碳原子原子比约等于1:3、层数为1层的氧化石墨烯加入100g去离子水中，超声15分钟，即得纳米氧化石墨烯溶液，如图1所示。

(2)向步骤(1)制备的纳米氧化石墨烯溶液中加入0.1g石墨烯，超声辅助搅拌，搅拌转速为400r/min，搅拌时间为3h，即可得到石墨烯浓度为1mg/ml的高稳定性的石墨烯分散液，将该石墨烯分散液静置两个月，未观察到沉淀，如图2所示。

实施例2

(1)称取50mg平均片径为10nm、平均氧原子与碳原子原子比约等于1:3、层数为1层的氧化石墨烯加入100g去离子水中，超声20分钟，即得纳米氧化石墨烯溶液。

(2)向步骤(1)制备的纳米氧化石墨烯溶液中加入0.2g石墨烯，超声辅助搅拌，搅拌转速为500r/min，搅拌时间为3h，即可得到石墨烯浓度为2mg/ml的高稳定性的石墨烯分散液，将该石墨烯分散液静置两个月，未观察到沉淀。

实施例3

(1)称取80mg平均片径为50nm、平均氧原子与碳原子原子比约等于1:4、层数为2层的氧化石墨烯加入100g去离子水中，超声20分钟，即得纳米氧化石墨烯溶液。

(2)向步骤(1)制备的纳米氧化石墨烯溶液中加入0.4g石墨烯，超声辅助搅拌，搅拌转速为600r/min，搅拌时间为4h，即可得到石墨烯浓度为4mg/ml的高稳定性的石墨烯分散液，将该石墨烯分散液静置两个月，未观察到沉淀。

实施例4

(1)称取100mg平均片径为100nm、平均氧原子与碳原子原子比约等于1:5、层数为4层的氧化石墨烯加入100g去离子水中，超声25分钟，即得纳米氧化石墨烯溶液。

(2)向步骤(1)制备的纳米氧化石墨烯溶液中加入1g石墨烯，超声辅助搅拌，搅拌转速为800r/min，搅拌时间为4h，即可得到石墨烯浓度为1mg/ml的高稳定性的石墨烯分散液，将该石墨烯分散液静置两个月，未观察到沉淀，如图3所示。

实施例5

(1)称取150mg平均片径为30nm、平均氧原子与碳原子原子比约等于1:2、层数为2层的氧化石墨烯加入100g去离子水中，超声30分钟，即得纳米氧化石墨烯溶液。

(2)向步骤(1)制备的纳米氧化石墨烯溶液中加入1.6g石墨烯，超声辅助搅拌，搅拌转速为600r/min，搅拌时间为5h，即可得到石墨烯浓度为16mg/ml的高稳定性的石墨烯分散液，将该石墨烯分散液静置两个月，未观察到沉淀。

实施例6

(1)称取200mg平均片径为20nm、平均氧原子与碳原子原子比约等于1:3、层数为1层的氧化石墨烯加入100g去离子水中，超声30分钟，即得纳米氧化石墨烯溶液。

(2)向步骤(1)制备的纳米氧化石墨烯溶液中加入2.0g石墨烯，超声辅助搅拌，搅拌转速为700r/min，搅拌时间为5h，即可得到石墨烯浓度为20mg/ml的高稳定性的石墨烯分散液，将该石墨烯分散液静置两个月，未观察到沉淀。

实施例7

(1)称取400mg平均片径为200nm、平均氧原子与碳原子原子比约等于1:5、层数为5层的氧化石墨烯加入100g去离子水中，超声30分钟，即得纳米氧化石墨烯溶液。

(2)向步骤(1)制备的纳米氧化石墨烯溶液中加入10g石墨烯，超声辅助搅拌，搅拌转速为800r/min，搅拌时间为5h，即可得到石墨烯浓度为10mg/ml的高稳定性的石墨烯分散液，将该石墨烯分散液静置两个月，未观察到沉淀。

对比例1

(1)称取150mg平均片径为1.5μm的氧化石墨烯加入100g去离子水中，超声30分钟，即得氧化石墨烯溶液。

(2)向步骤(1)制备的氧化石墨烯溶液中加入0.4g石墨烯，超声辅助搅拌，搅拌转速为600r/min，搅拌时间为2h，即可得到石墨烯浓度为4mg/ml的石墨烯分散液，将该石墨烯分散液静置十天左右观察到沉淀。

对比例2

本对比例所涉及的制备石墨烯分散液的方法步骤为：将溶剂、石墨烯按照一定质量比混合，经超声辅助搅拌即可得到石墨烯分散液。

具体处理步骤为：称取1g石墨烯加入100g去离子水中，超声辅助搅拌，搅拌转速为600r/min，搅拌时间为5h，即可得到石墨烯浓度为1mg/ml的石墨烯分散液，该石墨烯分散液静置2小时左右观察到沉淀，如图4所示。

通过实施例1-7和对比例1-2的对比，由此可见，选用纳米级氧化石墨烯作为分散剂，可以获得稳定性好、分散均匀、浓度高、可长期保存的石墨烯分散液。

此外，本案发明人还参照实施例1—实施例7的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了高浓度、高稳定性的石墨烯分散液。

综上所述，藉由本发明的上述技术方案获得的石墨烯分散液稳定性好、分散均匀、浓度高、可长期保存，可应用于润滑材料、导热材料、抗静电材料、导电油墨、电子产品的电磁屏蔽材料、锂离子电池的导电添加剂、微波吸收材料等领域。

应当理解的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。