一种鳞片石墨机械摩擦可控制备石墨烯的方法
【专利摘要】本发明公开了一种鳞片石墨机械摩擦可控制备石墨烯的方法，具体是将鳞片石墨在C4-C22的烃类溶剂中超声分散，控制端面机械摩擦前状态，将石墨分散油加入到摩擦装置油盒中，控制相应的摩擦工况进行机械摩擦操作，然后减压蒸馏回收溶剂即得石墨烯。本发明的石墨烯制备方法操作简便可控，易于宏量制备石墨烯，制备过程环保，产品质量稳定可控，单层石墨烯的得率高。
【专利说明】一种鳞片石墨机械摩擦可控制备石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石墨烯的制备方法，具体的说是一种鳞片石墨机械摩擦可控制备石墨烯的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是由Sp2杂化碳原子构成的一种平面结构材料，过去曾被认为是无法独立存在的，直至2004年，英国Geim等通过微机械剥离方法从石墨中成功分离出石墨烯，证实了石墨烯可以单独存在。石墨烯具有许多优异的性能，包括超高的热导率、巨大的比表面积、极高的强度和弹性模量以及超低的电阻率等，它在纳米器件、耐磨材料、传感器和新一代电子元器件等方面均有巨大的应用前景，然而，石墨烯的可控制备问题一直没有得到很好的解决。
[0003]目前石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等。微机械剥离法需要将石墨加热，然后用粘结剂将石墨粘在玻璃板上，接着再将玻璃板放到丙酮内进行震荡，最后用单晶硅片将剥离下来的石墨烯片捞出，这种方法的优点是成本较低、可以制备单层石墨烯，但缺点也很明显，效率低、难以量产。化学气相沉积法是将甲烷等烃类分子在高温下分解后吸附沉积在金属催化剂衬底材料表面，碳原子在基体表面重组形成石墨烯，该方法的优点是可以制备大尺寸石墨烯，缺点是在使用时需要刻蚀去除基体材料，在去除操作过程中容易破坏形成的石墨烯结构。氧化还原法是目前最常用的制备石墨烯的方法，该方法是先用强酸和强氧化剂将石墨氧化，并在其层间插入含氧官能团，增大石墨层间距，接着进行超声处理，将石墨氧化物剥离后得到石墨烯氧化物，再通过还原剂还原去除含氧基团，得到石墨烯，该方法的优点是操作过程简便易控，但由于产物中含有较多的少层石墨烯，而单层石墨烯含量相对较少，此外，使用的这些还原剂大多属于有毒或对环境有害的成分，故而限制了其大规模制备。
[0004]由此可见，现有的石墨烯制备方法既有一定的优势，也有一些明显的不足，迫切需要发展石墨烯制备新方法。
【发明内容】
[0005]本发明就是针对现有技术的不足，提供一种鳞片石墨机械摩擦可控制备石墨烯的方法。所要解决的技术难题是:操作简便可控，易于宏量制备，制备过程环保，产品质量稳定可控，单层石墨烯的得率高。
[0006]本发明通过以下技术方案来实现:
[0007]将鳞片石墨加入C4-C22的烃类溶剂中，超声分散30-60min,形成石墨分散油；控制端面机械摩擦前状态，然后将石墨分散油加入到摩擦装置的油盒中，启动加载至摩擦副载荷为150N-300N，速度为0.1-0.8m/s，油温40_60°C条件下摩擦l_2h ;最后将摩擦后的油样取出，在0.01-0.03MPa, 70-90°C条件下减压蒸馏回收溶剂即得石墨烯。
[0008]如上所述的鳞片石墨，其特征在于，粒径为160-300 μ m，碳含量为99.90%以上，添加量占溶剂质量的0.1-5% ；
[0009]如上所述的控制端面机械摩擦前状态，其特征在于，采用摩擦副为环-块面接触形式，摩擦接触面积为400-800mm2 ;环状摩擦副摩擦面平均分布6个凹槽，凹槽开口宽度为5mm，深度为1mm ;块状摩擦副直径比环状摩擦副外直径大10-20mm ;环状与块状摩擦副材料分别为球墨铸铁、灰铸铁、45号钢、GCr15钢中的任意两种，摩擦面粗糙度Ra为0.10-0.60 μ m。
[0010]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0011]1、制备操作简便可控，易于宏量制备。只要选择好合适的鳞片石墨原料与摩擦副材料并调节好相应的制备工艺条件，即可很方便的控制并得到所需的产品；可以根据比例对原料用量进行放大，即可得到相应放大量的石墨烯产品。
[0012]2、制备过程环保，产品质量稳定可控，单层石墨烯的得率高。制备过程中不需要用到有毒或对环境有害的成分，其中的烃类溶剂可以通过减压蒸馏进行有效回收；所制备的石墨烯表面能形成摩擦静电斥力保证了制备的石墨烯不会重新团聚，从而达到产品质量稳定可控的要求；通过摩擦副表面粗糙度、摩擦载荷、摩擦速度、油温、摩擦时间等因素的联合控制，可使得鳞片石墨原料直至转化成单层石墨烯，故而单层石墨烯的得率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为端面机械摩擦装置示意图，其中I为环状摩擦副，2为块状摩擦副，3为石墨分散油，4为油盒,5为油温加热控制装置。
[0014]图2为环状摩擦副示意图，其中(a)为三维示意图，(b)为剖面图。
[0015]图3为鳞片石墨原料与石墨烯产品显微照片，其中(a)为鳞片石墨，(b)为例I石墨稀，(C)为例2石墨烯。
[0016]图4为拉曼光谱图，其中(a)为例I石墨烯，(b)为例2石墨烯。
具体实施例
[0017]为了更好的理解本发明，通过以下具体实施例说明本发明，但这些实施例并不限制本发明。
[0018]例1:采用粒径为160_22(^111，碳含量为99.95 %的鳞片石墨1.0gW；V99gC4-C12的烃类溶剂中，超声分散40min,形成石墨分散油；控制端面机械摩擦前状态,然后将石墨分散油加入到机械摩擦装置的油盒中，启动加载至摩擦副载荷为150N，速度为
0.2m/s，油温45°C条件下摩擦1.2h ;最后将摩擦后的油样取出，在0.02MPa，75°C条件下减压蒸馏回收溶剂即得石墨烯。其中，端面机械摩擦前状态为:摩擦副为环-块面接触形式，摩擦接触面积为423.9mm2 ;环状摩擦副外直径32_，内直径22_，摩擦面平均分布6个凹槽，凹槽开口宽度为5mm，深度为1mm ;块状摩擦副直径45mm ;环状与块状摩擦副材料分别为球墨铸铁与45号钢，摩擦面粗糙度Ra分别为0.22 μ m与0.38 μ m。
[0019]例2:采用粒径为250-300 μ m，碳含量为99.96 %的鳞片石墨50g加入950gC10-C22的烃类溶剂中，超声分散60min,形成石墨分散油；控制端面机械摩擦前状态,然后将石墨分散油加入到机械摩擦装置的油盒中，启动加载至摩擦副载荷为300N，速度为
0.6m/s,油温50°C条件下摩擦2h ;最后将摩擦后的油样取出，在0.03MPa，85°C条件下减压蒸馏回收溶剂即得石墨烯。其中，端面机械摩擦前状态为:摩擦副为环-块面接触形式，摩擦接触面积为728.5mm2 ;环状摩擦副外直径62_，内直径54_，摩擦面平均分布6个凹槽，凹槽开口宽度为5mm，深度为1mm ;块状摩擦副直径80mm ;环状与块状摩擦副材料分别为灰铸铁与GCrl5钢铸铁，摩擦面粗糙度Ra分别为0.32 μ m和0.45 μ m。
【权利要求】
1.一种鳞片石墨机械摩擦可控制备石墨烯的方法，其特征在于，将鳞片石墨加入C4-C22的烃类溶剂中，超声分散30-60min,形成石墨分散油；控制端面机械摩擦前状态,然后将石墨分散油加入到摩擦装置的油盒中，启动加载至摩擦副载荷为150N-300N，速度为0.1-0.8m/s，油温40-60°C条件下摩擦l_2h ;最后将摩擦后的油样取出，在0.01-0.03MPa,70-90 °C条件下减压蒸馏回收溶剂即得石墨烯。
2.根据权利要求1所述的鳞片石墨机械摩擦可控制备石墨烯的方法，其特征在于:所述鳞片石墨，其粒径为160-300 μ m，碳含量为99.90%以上，添加量占溶剂质量的0.1_5%。
3.根据权利要求1所述的鳞片石墨机械摩擦可控制备石墨烯的方法，其特征在于:控制端面机械摩擦前状态，采用摩擦副为环-块面接触形式，摩擦接触面积为400-800mm2 ;环状摩擦副摩擦面平均分布6个凹槽，凹槽开口宽度为5mm，深度为1mm ;块状摩擦副直径比环状摩擦副外直径大10-20mm ;环状与块状摩擦副材料分别为球墨铸铁、灰铸铁、45号钢、GCr 15钢中的任意两种，摩擦面粗糙度Ra为0.10-0.60 μ m。
【文档编号】C01B31/04GK104386681SQ201410650374
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】徐玉福, 彭玉斌, 周琪, 胡献国, 宋祥 申请人:合肥工业大学