一种分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料及其制备方法，该石墨烯纳米片材料分散在天然多糖中。本发明采用天然多糖与固体石墨混合，添加一定比例的溶剂或不做任何添加直接将混合物进行机械研磨，得到分散在天然多糖纳米材料中的厚度为0.35nm～7nm、单层或多层的石墨烯纳米片复合材料。本发明所制备的石墨烯纳米片材料将天然多糖作为分散剂分散在石墨烯纳米片周围，石墨烯纳米片与天然多糖界面的疏水部位达到纳米尺度上的融合，产生强烈相互作用(范德华力)，增加了相互之间的亲和性，从而抑制了石墨烯纳米片的再聚集，同时也抑制了天然多糖常见的一些晶形转变，获得性能稳定的石墨烯纳米片材料。
【专利说明】一种分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料【技术领域】，特别涉及一种分散在纤维素中的石墨烯纳米片材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。具有层状结构的石墨材料经剥离后会得到单层或多层石墨烯纳米片。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面发生弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，保持了结构稳定。石墨烯的这种稳定的晶格结构使其具有异常优异的导电性，完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应，以及良好的力学、光学和热学性质。在电子、信息、能源、材料和生物医药领域有广泛的应用前景。但是石墨烯所具有的疏水性和易团聚的特点，限制了其广泛应用。
[0003]目前，石墨烯的主要制备方法有:化学气相沉积法(CVD)、碳化硅基底上的外延生长法、基于石墨及其衍生物的直接合成法、电化学方法、切割碳纳米管法、模板法、有机合成法、氧化石墨烯(GO)的化学还原法和机械劈裂法。然而，迄今为止石墨烯的制备水平只是在实验室规模，工业化生产还面临如何低成本、大规模制备出期望结构的石墨烯等问题。氧化石墨GO的化学还原法是目前应用较多的制备石墨烯纳米片的方法，但是其制备过程还是存在复杂、规模小的问题，另外还原石墨烯所得到的石墨烯纳米片会因为还原方法的不完全而导致结构上存在一定的缺陷。
[0004]石墨烯因其优异的性能、极大的比表面积，非常适合于高性能复合材料的开发。目前已有的石墨烯复合材料可以分为两类:石墨烯/无机物复合材料和石墨烯/聚合物复合材料。而已有的制备石墨烯复合材料的方法也主要有两种:先让氧化石墨与其他材料复合，再将其中的氧化石墨还原得到石墨烯纳米复合材料；或是用改性过的石墨烯与其他材料复合。多糖与石墨烯的复合材料报道还不是很多。目前已有的少数的一些关于纤维素、壳聚糖等聚合物与石墨烯纳米片的复合材料的制备也脱不开这两种常规的制备方法，这样的复合效果势必会受相互之间的共混程度的影响。为了有效地体现石墨烯纳米片的功能，石墨烯纳米片应该均匀地分散于复合材料中。
[0005]我们发明了一种制备方法，可以简单、大规模制备石墨烯纳米片，并获得由纤维素纳米材料稳定分散的石墨烯纳米片材料。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的第一个技术问题提供一种分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料。
[0007]本发明要解决的第二个技术问题是是提供一种分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法。
[0008]为了解决上述第一个技术问题，本发明提供了一种分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料，石墨烯纳米片材料分散在天然多糖中。
[0009]所述的天然多糖选自纤维素、甲壳素、淀粉、壳聚糖中的一种或多种。
[0010]优选地，所述的纤维素为天然草本植物或天然木本植物的一种或多种。
[0011]优选地，所述的纤维素包括由天然草本植物或天然木本植物所得到的再生纤维素的一种或多种。
[0012]优选地，所述的纤维素包括由天然草本植物或天然木本植物所得到的纤维素衍生物的一种或多种。
[0013]为了解决第二个技术问题，本发明提供了一种制备所述分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法，该方法包括以下步骤:天然多糖与固体石墨混合，将混合物进行机械研磨，得到分散在天然多糖纳米材料中的厚度为0.35nm~7nm、单层或多层的石墨烯纳米片复合材料。
[0014]优选的，在天然多糖和固体石墨混合物中加入溶剂后再进行机械研磨。
[0015]优选的，固体石墨占天然多糖重量的0.lwt%_80wt%。更优选地，固体石墨占天然多糖重量的0.5%-30%。
[0016]优选的，研磨条件为100-500r.p.m,研磨时间为1_100小时。更优选地，研磨条件为200-400r.p.m,研磨时间为2-50小时。
[0017]优选地，所述溶剂选自DMF、甲苯、苯、丙酮、水中的一种或多种；优选地，溶剂质量为天然多糖的0.01倍-500倍。更优选地，溶剂质量为天然多糖的0.05倍-100倍。
[0018]本发明的有益效果是:
[0019]1、由天然多糖分散的石墨烯纳米片材料使得石墨烯纳米片与天然多糖纳米纤维达到纳米尺度上的融合，从而抑制了石墨烯纳米片的再聚集，同时也抑制了天然多糖常见的一些晶形转变，获得了性能比较稳定的石墨烯纳米片材料。
[0020]2、采用本发明制备分散在天然多糖中的石墨烯纳米片，通过机械研磨得到了大批量、由天然多糖稳定分散的石墨烯纳米片材料，简单易行，成本低廉，易于实现大规模生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]本发明所包含的附图用于提供对本发明的进一步理解。
[0022]图1:本发明所得分散在纤维素中的石墨烯纳米片材料的透射电镜照片
[0023]图2:本发明所得由纤维素衍生物羧甲基纤维素CMC分散的石墨烯纳米片的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0024]为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0025]实施例1:
[0026]一种制备所述分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0027]天然草本纤维素来源的微晶纤维素与固体石墨按99:1重量混合，将混合物加入到研磨机中，不加任何研磨剂进行机械研磨，研磨转数300r.p.m，时间16h，得到了分散在天然草本纤维素中的厚度为0.35~7nm单层石墨烯纳米片材料。
[0028]实施例2:
[0029]同实施例1，不同之处在于将天然草本纤维素替换成天然木本纤维素；所述天然木本纤维素与固体石墨按20:1重量混合；研磨转数500r.p.m,时间2h ;得到了分散在天然木本纤维素中的厚度为0.35~7nm单层石墨烯纳米片材料。
[0030]实施例3:
[0031]一种制备所述分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法，该方法包括以下步骤:天然草本纤维素与固体石墨按1:1重量混合，将混合物加入到研磨机中，再加入50倍天然多糖质量的溶剂DMF进行机械研磨,研磨转数300r.p.m,时间24h ;得到了分散在天然草本纤维素中的厚度在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料(如图1)。
[0032]实施例4:
[0033]同实施例3，不同之处在于将天然草本纤维素替换成天然木本纤维素，天然木本纤维素与固体石墨按5:1重量混合，将混合物加入到研磨机中，再加入500倍天然木本纤维素质量的甲苯溶剂进行机械研磨，研磨转数300r.p.m，时间100h。得到了分散在天然木本纤维素中的厚度在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料。
[0034]实施例5:
[0035]同实施例3，不同之处在于将天然草本纤维素替换成淀粉，淀粉与固体石墨按10:1重量混合，将混合物加入到研磨机中，再加入100倍淀粉质量的丙酮溶剂进行机械研磨，研磨转数300r.P.m,时间50h,得到了分散在淀粉中的厚度为在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料。
[0036]实施例6:
[0037]同实施例3，不同之处在于将天然草本纤维素替换成甲壳素，甲壳素与固体石墨按20:1重量混合，将混合物加入到研磨机中，再加入0.05倍甲壳素质量的DMF溶剂进行机械研磨，研磨转数200r.p.m,时间40h,。得到了分散在甲壳素中的厚度在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料。
[0038]实施例7:
[0039]同实施例3，不同之处在于将天然草本纤维素替换成壳聚糖。得到了分散在壳聚糖中的厚度在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料。
[0040]实施例8:
[0041 ] 同实施例3，不同之处在于将溶剂DMF替换成水。得到了分散在天然草本纤维素中的厚度在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料。
[0042]实施例9:
[0043]同实施例3，不同之处在于将溶剂DMF替换成甲苯。得到了分散在天然草本纤维素中的厚度在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料。
[0044]实施例10:
[0045]同实施例3，不同之处在于将溶剂DMF替换成苯。得到了分散在天然草本纤维素中的厚度在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料。
[0046]实施例11:
[0047] 一种制备所述分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法，该方法包括以下步骤:纤维素衍生物羧甲基纤维素(CMC)与固体石墨按1:1重量混合，将混合物加入到研磨机中再加入10mL的水进行机械研磨，，研磨转数200r.p.m,研磨时间24h,得到了分散在天然纤维素纳米材料中的厚度在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料。(如图2)
[0048]实施例12:
[0049]同实施例11，不同之处在于将纤维素衍生物羟甲基纤维素替换成再生纤维素。得到了分散在再生纤维素中的厚度在0.35nm~7nm范围内的单层或多层石墨烯纳米片材料。
[0050]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【权利要求】
1.一种分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料，其特征在于:石墨烯纳米片材料分散在天然多糖中。
2.如权利要求1所述的分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料，其特征在于，所述的天然多糖选自纤维素、甲壳素、淀粉、壳聚糖中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料，其特征在于，优选地，所述的纤维素为天然草本植物或天然木本植物的一种或多种。
4.如权利要求2所述的分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料，其特征在于，优选地，所述纤维素包括由天然草本植物或天然木本植物所得到的再生纤维素的一种或多种。
5.如权利要 求2所述的分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料，其特征在于，优选地，所述的纤维素包括由天然草本植物或天然木本植物所得到的纤维素衍生物的一种或多种。
6.一种制备如权利要求1所述的分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:天然多糖与固体石墨混合，将混合物进行机械研磨，得到分散在天然多糖纳米材料中的厚度为0.35nm~7nm、单层或多层的石墨烯纳米片复合材料。
7.如权利要求6所述的分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法，其特征在于，优选的，在天然多糖和固体石墨混合物中加入溶剂后再进行机械研磨。
8.如权利要求6或7所述的分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法，其特征在于，优选的，固体石墨占天然多糖重量的0.lwt%-80wt% ;更优选地，固体石墨占天然多糖重量的 0.5wt%-30wt%o
9.如权利要求6或7所述的分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法，其特征在于，优选的，研磨条件为100-500r.p.m,研磨时间为0.5-100小时；更优选地，研磨条件为200-400r.p.m,研磨时间为2-50小时。
10.如权利要求7所述的一种分散在天然多糖中的石墨烯纳米片材料的制备方法，其特征在于，优选地，所述溶剂选自DMF、甲苯、苯、丙酮、水中的一种或多种；优选地，溶剂质量为天然多糖的0.01倍-500倍；更优选地，溶剂质量为天然多糖的0.05倍-100倍。
【文档编号】C08K3/04GK104072808SQ201310100203
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月26日 优先权日:2013年3月26日
【发明者】吴敏, 黄勇, 空闲重则, 孙佩佩 申请人:中国科学院理化技术研究所