一种复合膨胀液的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石墨烯领域，具体地说涉及一种复合膨胀液，该复合膨胀液主要用于 膨胀处理石墨插层化合物，尤其适合规模化处理石墨插层化合物。
【背景技术】
[0002] 自2004年被发现以来，石墨烯作为一种新型碳材料备受关注。它是一种完全由5// 杂化的碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，具有高透光性 和导电性、高比表面积、高强度及柔韧性等优异的性能，可望在高性能纳电子器件、光电器 件、气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储等领域获得广泛应用。
[0003] 目前，学术界广泛接受的石墨烯材料的定义为：碳原子层数在10层以内的石墨薄 片，其厚度在3. 5纳米以下。为此，中国专利号"201110282370. 5"在2012年5月2日公开 了 "一种制备高质量石墨烯的方法"，其技术方案为以卤素或金属卤化物为插层剂的石墨插 层化合物为原料，在草酸或过氧化氢溶液中进行膨胀和在溶剂中超声剥离，从而得到高质 量石墨烯，该方法可以实现单批次百克级的高质量石墨烯的制备，所得石墨烯产品的特有 性能指标为：石墨烯片的层数3-8层(厚度为1 一2. 5纳米)、横向尺寸5- 50微米，碳氧比 30-120,杂质含量5 wt%。
[0004] 上述方法的制备原理为：如图1所示，在液相浸泡的条件下，利用存在于石墨层间 的金属离子（M x+)催化过氧化氢在层间分解产生氧气（O2)的膨胀作用剥离石墨得到石墨 烯，其核心反应为： H:C-...............................:........................ Ο? ? + 其中，发生在石墨层间的催化分解反应成为有效分解，可以使石墨膨胀制备石墨烯，而 发生在插层石墨颗粒外部溶液中的催化分解反应则是无效分解，会造成反应物的消耗，同 时会阻止反应物向石墨层间的扩散，从而抑制有效分解，造成插层石墨膨胀效果的劣化；因 此，制备石墨烯的关键在于促进有效分解的同时抑制无效分解。最初，金属离子只存在于石 墨层间，因此反应以有效分解为主；但随着反应的进行和石墨片层的剥离，层间金属离子逐 渐溶解到液相中，当金属离子的浓度增大到一定程度时，会造成无效分解的加剧。特别是在 大量制备(单批次制备数百公斤的石墨烯）时，物料量的增大，导致从石墨层间溶出的金属 离子量巨大，反之物料的增多也使得金属离子在溶液中的扩散受阻，但由于上述专利中的 膨胀液为草酸或过氧化氢溶液，该膨胀液不能对溶液中的金属离子加以处理，这就导致局 部无效分解加剧，使得参与膨胀反应的有效物质量减少，导致插层石墨原料的膨胀不足，进 而对石墨的膨胀产生不利影响。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种复合膨胀液，本发 明能够在膨胀反应过程中吸附溶液中的金属离子，使金属离子失去催化活性，在促进有效 分解的同时抑制无效分解，保证石墨插层化合物能够完全彻底的膨胀。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 一种复合膨胀液，其特征在于由下述组分均匀混合而成，各组分及各组分的质量百分 比为：过氧化氢溶液60-90%，金属离子络合剂1 一 10%，酸碱度调节剂1 一5%，表面张力调节 剂0.5 - 5%，其余为水。
[0007] 所述复合膨胀液中过氧化氢溶液的质量百分比为85%，金属离子络合剂的质量百 分比为5%，酸碱度调节剂的质量百分比为3%，表面张力调节剂的质量百分比为2%，其余为 水。
[0008] 所述过氧化氢溶液的浓度为20- 30%。
[0009] 所述复合膨胀液中的金属离子络合剂是酒石酸钾钠、焦磷酸钠、乙二胺四乙酸钠 盐、草酸、草酸盐、葡萄糖酸钠、乙二胺四甲叉磷酸钠、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种或多种 的复合。
[0010] 所述复合膨胀液中的酸碱度调节剂是盐酸、硫酸、磷酸、草酸、甲酸、乙酸、乙二酸、 氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、乙二胺、碳酸氢钠中的一种或多种的复合。
[0011] 所述复合膨胀液中的表面张力调节剂是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、十二烷 基苯磺酸钠中的一种或多种的复合。
[0012] 采用本发明的优点在于： 一、本发明中的复合膨胀液由过氧化氢溶液、金属离子络合剂、酸碱度调节剂、表面张 力调节剂和水均匀混合而成，其中，过氧化氢溶液的作用是与存在于石墨层间的金属离子 (Mx+)发生反应，分解产生的氧气（O 2)对石墨插层化合物起膨胀作用；金属离子络合剂的作 用则是吸附溶解到溶液中的金属离子，使其失去催化活性，达到抑制无效分解的作用；酸碱 度调节剂的作用是调整膨胀液和酸碱度，优化金属离子络合剂的络合效果；表面张力调节 剂的作用是调整剥离液对石墨及石墨烯的浸润性，以促进膨胀剂向石墨层间的扩散，进而 促进有效分解反应。由上述特定组份及含量组成的复合膨胀液，能够在膨胀反应过程中吸 附溶液中的金属离子，使金属离子失去催化活性，在促进有效分解的同时抑制无效分解，保 证石墨插层化合物能够完全彻底的膨胀。与中国专利号为"201110282370. 5"为代表的现 有技术相比，本发明不仅特别适用于规模化制备石墨烯产品，还为单批次生产数百公斤石 墨烯的制造提供了有力保障。
[0013] 二、本发明中，如果过氧化氢溶液的浓度低于20%，将导致反应时间过长和反应不 充分；如果过氧化氢溶液的浓度高于30%，又存在着反应加剧，反应不可控等安全问题，因 此将过氧化氢溶液的浓度设定为20-30%，既保证了反应的温和性和安全性，又保证了反应 的充分性。
[0014] 三、本发明中，金属离子络合剂、酸碱度调节剂和表面张力调节剂均可由一种或多 种物料制成，具有原料易得和成本低廉的优点。
【附图说明】
[0015] 图1为石墨插层化合物使用复合膨胀液的膨胀剥离机理示意图：（a)石墨插层化 合物加入到过氧化氢溶液中；（b)过氧化氢在石墨层间金属离子的催化作用下分解生成氧 气（02) ; (c)石墨烯片层在氧气膨胀的作用下发生剥离得到单片的石墨烯。
【具体实施方式】
[0016] 实施例1 一种复合膨胀液，由下述组分均匀混合而成，各组分及各组分的质量百分比为：过氧 化氢溶液90%，金属离子络合剂1%，酸碱度调节剂5%，表面张力调节剂0. 5%，其余为水。其 中，所述过氧化氢溶液的浓度为20%，所述复合膨胀液中的金属离子络合剂是酒石酸钾钠和 焦磷酸钠中的一种或两种的复合，所述复合膨胀液中的酸碱度调节剂是盐酸和硫酸中的一 种或两种的复合，所述复合膨胀液中的表面张力调节剂是甲醇和乙醇中的一种或两种的复 合。
[0017] 本实施例中，经实验证明，以4份相同量的石墨插层化合物为例，分别使用经上述 特定参数所制得的复合膨胀液膨胀处理40min、60min、100min和120min，能够得到如下实 验结果：
【主权项】
1. 一种复合膨胀液，其特征在于由下述组分均匀混合而成，各组分及各组分的质量百 分比为：过氧化氢溶液60-90%，金属离子络合剂1一10%，酸碱度调节剂1一5%，表面张力调 节剂0.5 - 5%，其余为水。
2. 如权利要求1所述的一种复合膨胀液，其特征在于：所述复合膨胀液中过氧化氢溶 液的质量百分比为85%，金属离子络合剂的质量百分比为5%，酸碱度调节剂的质量百分比 为3%，表面张力调节剂的质量百分比为2%，其余为水。
3. 如权利要求1或2所述的一种复合膨胀液，其特征在于：所述过氧化氢溶液的浓度 为 20- 30%。
4. 如权利要求1或2所述的一种复合膨胀液，其特征在于：所述复合膨胀液中的金属 离子络合剂是酒石酸钾钠、焦磷酸钠、乙二胺四乙酸钠盐、草酸、草酸盐、葡萄糖酸钠、乙二 胺四甲叉磷酸钠、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种或多种的复合。
5. 如权利要求1或2所述的一种复合膨胀液，其特征在于：所述复合膨胀液中的酸碱 度调节剂是盐酸、硫酸、磷酸、甲酸、乙酸、乙二酸、氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、乙二胺、碳酸 氢钠中的一种或多种的复合。
6. 如权利要求1或2所述的一种复合膨胀液，其特征在于：所述复合膨胀液中的表面 张力调节剂是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯中的一种或多种的复合。
【专利摘要】本发明公开了一种复合膨胀液，其特征在于是由下述组分均匀混合而成，各组分及各组分的质量百分比为：过氧化氢溶液60—90%，金属离子络合剂1—10%，酸碱度调节剂1—5%，表面张力调节剂0.5—5%，其余为水。本发明能够在膨胀反应过程中吸附溶液中的金属离子，使金属离子失去催化活性，在促进有效分解的同时抑制无效分解，保证石墨插层化合物能够完全彻底的膨胀。
【IPC分类】C01B31-04
【公开号】CN104860301
【申请号】CN201510186549
【发明人】赵景浩, 姚林, 牟舜禹, 黄全国, 杜晓峰, 高华
【申请人】德阳烯碳科技有限公司
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月20日