一种石墨烯包覆钛酸盐新型复合物及其制备方法与流程

本发明属于石墨烯新材料和复合材料领域，具体涉及一种新型结构功能一体化复合材料用的石墨烯包覆钛酸盐的新型复合物及其制备方法。

背景技术：

钛酸盐产品种类繁多，按其组成可分为碱金属钛酸盐、碱土金属钛酸盐、稀土金属钛酸盐等，具有十分卓越的物理、化学和光学性能，在当代材料科学领域中占有重要位置，特别是高性能复合材料。钛酸盐的形貌包括片状、晶须状、颗粒状等。

碱金属钛酸盐是一种性能十分优异的合成无机材料，化学性能十分稳定，具有优异的力学性能和独特的物理特性。凭借其高强度、高硬度、高模量、高耐热性等性能在增强塑料、耐磨材料、耐热材料中有广泛的应用。其中，隧道结构钛酸盐晶须具有优良的滑动性能和制动效果，可替代易致癌的石棉制成的摩擦材料，被用于设计制造各种高级轿车和轻型车的刹车片。层状结构钛酸盐也是优异的耐摩擦材料，其不仅在高温区耐磨性能比隧道结构晶须状钛酸盐稳定，而且对人体更加无毒无害。但是，碱金属钛酸盐作为填充材料，耐磨性不够，特别是高温时磨损速度较快；在基体中流动性差，在制备摩擦材料时容易在进料通道壁上进行沉积从而堵塞通道，这些缺陷限制了其进一步的应用。

钛酸盐系列新材料除了拥有优异的耐摩、增强性能外，还具有反红外辐射、催化活性、物理化学稳定性等优异性能。一些层状钛酸盐是宽带半导体材料和催化材料，能利用层状空间作为合适的反应点以抑制逆反应、提高反应速率，而进一步用过渡金属部分取代三钛酸盐和四钛酸盐中的一部分钛可制得多孔催化材料。一些钛酸盐还具有高反红外辐射性能，可应用于制备高温器部件及装备的耐热涂层，延长使用寿命。但以上这些应用，都需要钛酸盐能够稳定均一的分散在有机或无机相中，使得钛酸盐和基体很好的连接，才能制备出性能优良的材料。但事实上钛酸盐在基体中的分散性和流动性并不好，究其原因在于钛酸盐表面的官能团只有少量羟基，因此改性的效果不明显，限制了其在复合材料中的进一步应用。

石墨烯是一种基本结构单元为苯环结构，拥有理想的六边形格子平面的新型二维碳材料，其众多优异的物理化学性质逐渐被发掘。石墨烯室温条件下的电子迁移率可达2×10⁵cm²·V^-1·s^-1，显示出超强的电学性能；单层石墨烯的透光率达到97.7％，展现出优异的光学性质；石墨烯拥有超高的理论比表面积，达到2630m²·g^-1；石墨烯是目前已知材料中强度和硬度最高的材料，其弹性模量为1.1TPa，抗拉强度为125GPa；石墨烯的理论热导率高达5000W·m^-1·K^-1,，是目前已知导热性能最好的材料。因此，石墨烯可以用来制备性能有的新型复合材料或作为高性能材料单独使用，已被列为本世纪重点发展的新兴战略材料，应用潜力巨大。

技术实现要素：

技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种石墨烯包覆钛酸盐新型复合物及其制备方法，以改善钛酸盐作为复合材料的填充材料时存在的问题，并弥补钛酸盐作为结构增强材料之外的功能性缺失，为发展新型结构功能一体化复合材料奠定材料基础。

技术方案：本发明提供的一种石墨烯包覆钛酸盐新型复合物，至少由以下重量百分比数的组份制成：0.01～10％石墨烯，80～98.99％钛酸盐，1～10％偶联剂。

作为改进，所述石墨烯为氧化石墨烯、不同还原程度的氧化石墨烯或石墨烯；所述钛酸盐为片状、晶须状或颗粒状的碱金属基钛酸盐，其中片状钛酸盐特征尺寸参数为：2μm～15μm、厚度为100nm～5μm；其中晶须钛酸盐的特征尺寸参数为：直径0.2～0.6μm、长度10～20μm；其中颗粒钛酸盐的特征尺寸参数为：直径0.5～5μm。

作为改进，本发明还提供了上述石墨烯包覆钛酸盐新型复合物的制备方法，包括如下步骤：

(1)氧化石墨烯分散液的制备：将氧化石墨烯超声分散于溶剂中，制得氧化石墨烯分散液；(利用超声方法制得均匀稳定的氧化石墨烯分散液)

(2)熔盐法制备钛酸盐：将钛酸盐原料及熔盐混匀后煅烧、粉碎、洗涤、干燥，即得钛酸盐；

(3)石墨烯包覆钛酸盐新型复合物的制备：将钛酸盐和偶联剂加入醇水混合溶液中，恒温搅拌；再加入氧化石墨烯分散液，并调节反应体系pH至中性，搅拌反应；产物洗涤、干燥、煅烧，即得石墨烯包覆钛酸盐新型复合物。

步骤(1)中，氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯片层大小为50nm～50μm；所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.05～5g/L；所述溶剂为去离子水、乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇、正丙醇、甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的一种或几种；超声频率为20-80kHz，超声分散时间为0.5-6h。

步骤(2)中，所述钛酸盐的特征化学式组成可表示为：A_xM_yTi_0.25～8O_2～17，其中A＝Li，Na或K；M＝Fe，Mg或Ca，0≤x≤4，0≤y≤8，优选地，0.75≤x≤2，0.4≤y≤1；所述钛酸盐原料包括含钛化合物，包括钛白粉、水合氧化钛、钛矿粉、钛矿物；所述熔盐为氯化钾、氯化钠、硫酸钾、氯化钙、硫酸镁中的一种或几种；所述熔盐和钛酸盐原料的摩尔比为(0.2～10)：1，以钛酸盐的特征化学式计算。

所述钛酸盐原料还包括含金属A的碳酸盐、硝酸盐、氧化物、氟化物、氢氧化物等其中的一种或几种；所述钛酸盐原料还包括含金属M的碳酸盐、硝酸盐、氧化物、氟化物、氢氧化物等其中的一种或几种；所述钛酸盐原料还包括含金属A和M的光卤石、盐矿。

步骤(2)中，煅烧在电炉中进行，所述电炉为马弗炉或烧结炉；煅烧温度为500～1300℃；煅烧时间为1～24h。

步骤(3)中，所述醇水混合溶液的体积比例为5：90～90：5，其中，醇为一元醇、二元醇和多元醇中的一种或几种。

步骤(3)中，所述偶联剂为硬脂酸、KH550、KH560、KH570、钛酸酯偶联剂中的一种或几种，偶联剂的用量为钛酸盐的1～20wt％；恒温搅拌温度为60～200℃，恒温搅拌时间为1～12h；搅拌反应温度为60～200℃，搅拌反应时间为1～12h；干燥温度为60～300℃；洗涤工艺为采用乙醇和去离子水洗涤，方法为离心、抽滤或板框过滤；煅烧采用管式炉煅烧，煅烧气氛为氮气或氩气，煅烧温度为120～1000℃，煅烧时间为1～24h。

有益效果：本发明提供的复合物将石墨烯包裹在钛酸盐表面对其改性，流动性好、不易破碎、不易堵塞进料口，可通过表面包覆的含有丰富官能团的还原氧化石墨烯进一步进行表面修饰改性，且石墨烯在导热导电韧性方面的特性赋予了钛酸盐新的功能。

具体而言，本发明相对于现有技术，具有以下突出的优势：

(1)本发明使用石墨烯包裹钛酸盐，可有效改善碱金属钛酸盐作为填充材料流动性差、耐磨损性能不足、易堵塞进料口的缺陷。

(2)本发明中包裹在钛酸盐表面的还原氧化石墨烯表面官能团可控，能够使获得的石墨烯包裹钛酸盐复合物进一步进行表面修饰，得到超亲水、超疏水、高导热等功能的新型材料。

(3)本发明利用石墨烯在导热、导电、韧性方面的优异性能，进一步弥补钛酸盐作为结构增强材料之外的功能性缺失，使其在导电材料、储能材料、吸附材料中得到进一步的应用，为发展新型兼具高强度、耐磨、抗冲击、高导热散热、导电性能的结构功能一体化复合材料奠定材料基础。

附图说明

图1为实施例1制得的片状钛酸钾镁XRD图；

图2为实施例3制得的晶须状钛酸铁纳XRD图；

图3为实施例1制得的片状钛酸钾镁扫描电镜图；

图4为实施例3制得的晶须状钛酸铁纳扫描电镜图；

图5为实施例1制得的石墨烯包裹的片状钛酸钾镁扫描电镜图；

图6为实施例3制得的石墨烯包裹的晶须状钛酸铁纳扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明所述氧化石墨可采用任意现有技术制得，例如Hummers法、优化的Hummers法、Staudenmaier法或Brodie法，可参考以下文献：

(1)Hummers法：Hummers,W.S.；Offeman,R.E.Preparation of Graphitic Oxide.J.Am.Chem.Soc.1958,80,1339.

(2)优化的Hummers法：《一种氧化还原制备石墨烯的方法》(申请号：CN201110372309.X).

(3)Staudenmaier法：Staudenmaier,L.Verfahren zur Darstellung der Graphitsa¨ure.Ber.Dtsch.Chem.Ges.1898,31,1481–1487.

(4)Brodie法：Brodie,B.C.On the Atomic Weight of Graphite.Philos.Trans.R.Soc.London 1859,14,249–259.

为了使各实施例具有可比性，实施例中采用优化的Hummer法制备。

实施例1

1)氧化石墨烯分散液的制备

取1g(100目)天然鳞片石墨与500ml质量浓度为98％硫酸混合均匀后，加入0.5g硝酸钾，在5℃的水浴中快速加入8g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到60℃，反应2h，加入100ml去离子水，同时将体系升温至90℃反应10min，再加入145ml蒸馏水和5ml双氧水(30wt％)还原过量的高锰酸钾终止反应，得到氧化石墨。

将氧化石墨洗涤至中性后加去离子水配成氧化石墨烯分散液，在超声机中40kHz下超声4h得到2g/L、5μm的氧化石墨烯分散液。

2)钛酸盐的制备

将钛白粉、碳酸镁、硝酸钾按TiO₂：MgO：K₂O＝4：1：1的比例均匀混合，之后加入氯化钙，熔盐和原料的摩尔比为1.5：1；在研钵中混合，将混合物放入马弗炉中烧结至800℃，保温24h，然后随炉冷却；将得到的产物研磨、破碎、洗涤、过滤。得到的产物经X-射线衍射分析，其化学式为K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄。经扫描电镜表征，其形貌为片状，厚度为0.5～5μm、长径比为(1～2)：1、长度为7～15μm。

3)石墨烯包覆钛酸盐的制备：

将制备得到的K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄称取2g加入到100ml乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积例为5：90，加入0.2gKH560，在60℃下加热搅拌4h，加入制备好2g/L的氧化石墨烯分散液10ml，并调节浆料的pH至中性。继续搅拌6h后将所得浆料用乙醇和去离子水离心洗涤，在烘箱中80℃干燥得到氧化石墨烯包覆的钛酸钾镁。将干燥好的产品放入管式炉中在氮气气氛下400℃连续煅烧5h后得到石墨烯包覆的片状钛酸钾镁。

实施例2

1)氧化石墨烯分散液的制备

取4g(3000目)天然鳞片石墨与200ml质量浓度为98％硫酸混合均匀后，加入4g硝酸钾，在5℃的水浴中快速加入32g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到50℃，反应3h，加入24L水，同时将体系升温至80℃反应25min，再加入2L蒸馏水和12mL双氧水(30wt％)还原过量的高锰酸钾，终止反应，得到氧化石墨体系。

将氧化石墨洗涤至中性后加甲酰胺混合溶液配成氧化石墨烯分散液，在超声机中20kHz下超声6h得到2g/L、5μm的氧化石墨烯分散液。

2)钛酸盐的制备

将锐钛矿、碳酸钾按TiO₂：K₂O＝6：1的比例均匀混合，之后加入氯化镁，熔盐和原料的摩尔比为3：1；混合均匀，将混合物放入马弗炉中烧结至800℃，保温1h，然后随炉冷却；将得到的产物研磨、破碎、洗涤、过滤。得到的产物经X-射线衍射分析，其化学式为K₂O·6TiO₂。其形貌为晶须状，特征尺寸参数为：直径0.2～0.6μm、长度10～20μm。

3)石墨烯包覆钛酸盐的制备：

将制备得到的K₂O·6TiO₂称取2g加入到100ml丙三醇和水的混合溶液中，醇和水的体积例为30：70，加入0.4gKH570，在90℃下加热搅拌2h，加入制备好2g/L的氧化石墨烯分散液50ml，并调节浆料的pH至中性。继续搅拌4h后将所得浆料用乙醇和去离子水离心洗涤之后在烘箱中170℃干燥得到氧化石墨烯包覆的六钛酸钾。将干燥好的产品放入管式炉中在氮气气氛下900℃连续煅烧2h后得到石墨烯包覆的六钛酸钾。

实施例3

1)氧化石墨烯溶液的制备

取0.5g(10000目)天然鳞片石墨与20ml质量浓度为98％硫酸混合均匀后，加入0.6g硝酸钾，在15℃的水浴中快速加入3g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到45℃，反应2.5h，加入15ml水，同时将体系升温至85℃反应20min，再加入10ml蒸馏水和3mL双氧水(30wt％)还原过量的高锰酸钾，终止反应，得到氧化石墨体系。

将氧化石墨洗涤至中性后冷冻干燥后加N-甲基吡咯烷酮配成氧化石墨烯分散液，在超声机中28kHz下超声3h得到1g/L、50nm的氧化石墨烯分散液。

2)钛酸盐的制备

将板钛矿、碳酸钠、氯化铁按TiO₂：FeO：NaO＝1：3：3的比例均匀混合，之后加入摩尔比1:1的氯化钠、硫酸镁，熔盐和原料的摩尔比为5：1；在研钵中混合，将混合物放入马弗炉中烧结至1300℃，保温8h，然后随炉冷却；将得到的产物研磨、破碎、洗涤、过滤。得到的产物经X-射线衍射分析，其化学式为Na_0.75Fe_0.75Ti_0.25O₂。经扫描电镜表征，其形貌为晶须状，直径为0.2～0.6μm、长度为10～20μm。

3)石墨烯包覆钛酸盐的制备：

将制备得到的Na_0.75Fe_0.75Ti_0.25O₂称取2g加入到100ml乙二醇和水的混合溶液中，醇和水的体积例为90：5，加入0.02gKH550，在130℃下加热搅拌1h，加入制备好1g/L的氧化石墨烯分散液200ml，并调节浆料的pH至中性。继续搅拌2h后将所得浆料用乙醇和去离子水离心洗涤，烘箱中300℃干燥后得到氧化石墨烯包覆的钛酸铁钠。将干燥好的产品放入管式炉中在氮气气氛下120℃连续煅烧18h后得到石墨烯包覆的晶须状钛酸铁钠。

实施例4

1)氧化石墨烯分散液的制备

取5g(8000目)天然鳞片石墨与500mL质量浓度为98％硫酸混合均匀后，加入6g硝酸钾，在5℃的水浴中快速加入30g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到55℃，反应3h，加入150ml水，同时将体系升温至80℃反应25min，再加入1L蒸馏水和6mL双氧水(30wt％)还原过量的高锰酸钾，终止反应，得到氧化石墨体系。

将氧化石墨洗涤至中性后加丙酮配成氧化石墨烯分散液，在超声机中20kHz下超声3h得到5g/L、200nm的氧化石墨烯分散液。

2)钛酸盐的制备

将钛白粉、氢氧化钾按TiO₂：K₂O＝8：1的比例均匀混合，之后加入摩尔比2:1的氯化镁、氯化钠，熔盐和原料的摩尔比为10：1；在研钵中混合，将混合物放入马弗炉中烧结至1200℃，保温12h，然后随炉冷却；将得到的产物研磨、破碎、洗涤、过滤。得到的产物长经X-射线衍射分析，其化学式为K₂O·8TiO₂。经扫描电镜表征，其形貌为颗粒状，直径0.5～5μm。

3)石墨烯包覆钛酸盐的制备：

将制备得到的K₂O·8TiO₂称取2g加入到100ml正丁醇、乙醇和水的混合溶液中，醇和水的体积例为50：50，加入0.16g钛酸酯偶联剂，在200℃下加热搅拌6h，加入制备好5g/L的氧化石墨烯分散液20ml，并调节浆料的pH至中性。继续搅拌8h后将所得浆料用乙醇和去离子水离心洗涤，在烘箱中150℃干燥后得到氧化石墨烯包覆的八钛酸钾。将干燥好的产品放入管式炉中在氮气气氛下200℃连续煅烧24h后得到石墨烯包覆的八钛酸钾。

实施例5

4)氧化石墨烯分散液的制备

取4g(3000目)天然鳞片石墨与200ml质量浓度为98％硫酸混合均匀后，加入4g硝酸钾，在5℃的水浴中快速加入32g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到50℃，反应3h，加入240ml水，同时将体系升温至80℃反应25min，再加入2L蒸馏水和12mL双氧水(30wt％)还原过量的高锰酸钾，终止反应，得到氧化石墨体系。

将氧化石墨洗涤至中性后加体积比1：1的异丙醇、乙醇混合溶液配成氧化石墨烯分散液，在超声机中20kHz下超声6h得到2g/L、5μm的氧化石墨烯分散液。

2)钛酸盐的制备

将钛白粉、碳酸镁、硝酸钾按TiO₂：MgO：K₂O＝4：1：1的比例均匀混合，之后加入摩尔1:2的氯化钙、氯化钾，熔盐和原料的摩尔比为5：1；在研钵中混合，将混合物放入马弗炉中烧结至950℃，保温24h，然后随炉冷却；将得到的产物研磨、破碎、洗涤、过滤。得到的产物经X-射线衍射分析，其化学式为K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄。经扫描电镜表征，其形貌为颗粒状，直径0.5～5μm。

3)石墨烯包覆钛酸盐的制备：

将制备得到的K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄称取2g加入到100ml异丁醇、丙三醇和水的混合溶液中，醇和水的体积例为20：80，加入0.1g硬脂酸，在100℃下加热搅拌9h，加入制备好2g/L的氧化石墨烯分散液80ml，并调节浆料的pH至中性。继续搅拌1h后将所得浆料用乙醇和去离子水离心洗涤，在烘箱中220℃干燥得到氧化石墨烯包覆的钛酸锂。将干燥好的产品放入管式炉中在氮气气氛下400℃连续煅烧9h后得到石墨烯包覆的颗粒状钛酸钾镁。

实施例6

1)氧化石墨烯分散液的制备

取4g(3000目)天然鳞片石墨与200ml质量浓度为98％硫酸混合均匀后，加入4g硝酸钾，在5℃的水浴中快速加入32g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到50℃，反应3h，加入240ml水，同时将体系升温至80℃反应25min，再加入2L蒸馏水和12mL双氧水(30wt％)还原过量的高锰酸钾，终止反应，得到氧化石墨体系。

将氧化石墨洗涤至中性后加体积比1：2的乙二醇和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液配成氧化石墨烯分散液，在超声机中50kHz下超声4h得到5g/L、50μm的氧化石墨烯分散液。

2)钛酸盐的制备

将钛白粉、硝酸钙、氧化锂按1：1：4的比例均匀混合，之后加入硫酸钾，熔盐和原料的摩尔比为0.2：1；在研钵中混合，将混合物放入烧结炉中烧结至500℃，保温24h，然后随炉冷却；将得到的产物研磨、破碎、洗涤、过滤。得到的产物经X-射线衍射分析，其化学式为Li₄CaTiO₅。经扫描电镜表征，其形貌为片状，2μm～15μm、厚度为100nm～5μm。

3)石墨烯包覆钛酸盐的制备：

将制备得到的K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄取80份加入到100份异丁醇、丙三醇和水的混合溶液中，醇和水的体积例为20∶80，加入10份硬脂酸，在100℃下加热搅拌12h，加入制备好的含10份氧化石墨烯的氧化石墨烯分散液，并调节浆料的pH至中性。继续搅拌1h后将所得浆料用乙醇和去离子水离心洗涤，在烘箱中60℃干燥得到氧化石墨烯包覆的钛酸锂。将干燥好的产品放入管式炉中在氮气气氛下1000℃连续煅烧1h后得到石墨烯包覆的颗粒状钛酸钾镁。

实施例7

2)氧化石墨烯分散液的制备

取4g(3000目)天然鳞片石墨与200ml质量浓度为98％硫酸混合均匀后，加入4g硝酸钾，在5℃的水浴中快速加入32g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到50℃，反应3h，加入240ml水，同时将体系升温至80℃反应25min，再加入2L蒸馏水和12mL双氧水(30wt％)还原过量的高锰酸钾，终止反应，得到氧化石墨体系。

将氧化石墨洗涤至中性后加体积比2：1的正丙醇和四氢呋喃混合溶液配成氧化石墨烯分散液，在超声机中80kHz下超声0.5h得到0.05g/L、20μm的氧化石墨烯分散液。

4)钛酸盐的制备

将钛白粉、氢氧化钙按1：8的比例均匀混合，之后加入硫酸钾，熔盐和原料的摩尔比为5∶1；在研钵中混合，将混合物放烧结炉中烧结至700℃，保温24h，然后随炉冷却；将得到的产物研磨、破碎、洗涤、过滤。得到的产物经X-射线衍射分析，其化学式为8CaO·TiO₂。得到的产物经X-射线衍射分析，其化学式为K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄。经扫描电镜表征，其形貌为颗粒状，直径0.5～5μm。

5)石墨烯包覆钛酸盐的制备：

将制备得到的K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄取98.99份加入到100份异丁醇、丙三醇和水的混合溶液中，醇和水的体积例为20：80，加入1份硬脂酸，在100℃下加热搅拌9h，加入制备好的含0.01份氧化石墨烯的氧化石墨烯分散液，并调节浆料的pH至中性。继续搅拌12h后将所得浆料用乙醇和去离子水离心洗涤，在烘箱中250℃干燥得到氧化石墨烯包覆的钛酸锂。将干燥好的产品放入管式炉中在氮气气氛下400℃连续煅烧9h后得到石墨烯包覆的颗粒状钛酸钾镁。

以上列举仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不仅限于以上实施例，还可以有许多变形。由本发明内容可直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。