本发明涉及石墨烯领域，具体涉及一种高分散性石墨烯的制备方法。
背景技术：
因诺贝尔奖而骤然走进大众视野的石墨烯，作为一种新型的二维纳米碳质材料，在科学界引起了广泛的关注和深入的研究。石墨烯是具有单层碳原子厚度的、由碳原子呈二维蜂窝状晶格结构排列的一种新型碳质材料，被认为是所有其他维数碳质材料的基本组成单元，如可以包成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆砌成三维的石墨等。石墨烯是由碳原子以sp2杂化结合成的单原子碳层，结构非常稳定，具有优异的力学性能、奇特的电学性质和良好的热性质。石墨烯由于其独特的结构和优异的物理化学性能，在聚合物基复合材料、储能材料、光电器件、生物医药等多个领域有着广泛的应用，已经吸引了国内外科研界很大的关注。
但石墨烯的应用过程中存在着一个问题，即在石墨烯的分散过程中，由于完整结构的石墨烯由含稳定键的苯六元环组成，化学稳定性高，表面呈惰性状态，与其他介质相互作用较弱，且石墨烯片层间存在很强的分子间作用力，导致片层极易堆叠在一起而难以分散开来，很难溶解于溶剂中，更难与其他有机或无机材料均匀地复合。这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难，因而改善石墨烯分散性及其与各种溶剂和材料的相容性成为扩展石墨烯应用领域亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明提供了一种高分散性石墨烯的制备方法，可有效提高石墨烯与其他有机物的相容性和结合力，制得的石墨烯易溶解于各种溶剂中，易于与有机或无机材料均匀地复合，具有高分散性，应用过程中不易出现团聚现象。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高分散性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯粉体超声分散到有机溶剂-水体系中，制备质量浓度为0.3～0.5％的石墨烯粉体分散液；
(2)取硅烷偶联剂加入至石墨烯粉体分散液中，混合均匀，水浴控制65～75℃，搅拌反应8～16h，之后于40～50℃下超声分散1～2h，得硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液；
(3)将不锈钢磨球、硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液装入球磨罐中，于200～300r/min条件下球磨6～10h，收集经球磨后的硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，减压浓缩，干燥，得改性石墨烯；
(4)在改性粉体中加入0.5～1倍量的无水乙醇，搅拌30～60min，30～40℃下超声4～6h，之后进行真空冷冻干燥，即得高分散性石墨烯。
优选地，所述步骤(1)中有机溶剂-水体系中的有机溶剂为乙醇、乙二醇、丙酮、二甲基甲酰胺中的一种。
优选地，所述步骤(1)中有机溶剂-水体系中有机溶剂与水的体积比为20～40∶1。
优选地，所述步骤(2)中的硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的一种。
优选地，所述步骤(2)中硅烷偶联剂与石墨烯的质量比为1∶10～20。
优选地，所述步骤(4)中的真空冷冻干燥处理具体控制参数为：真空度10～30Pa，冻结温度-35～-30℃，干燥时间20～24h。
优选地，所述步骤(2)、(4)中的超声频率均为15KHz。
优选地，所述步骤(3)中的干燥方式为真空干燥。
优选地，所述步骤(4)中在改性粉体中加入0.8倍量的无水乙醇，搅拌50min，35℃下超声5h。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用硅烷偶联剂对石墨烯的分散性进行改性，在改性过程中，硅烷偶联剂对石墨烯表面进行充分修饰，多层石墨烯在分散过程中经超声分散、球磨罐球磨后充分剥离成少层或单层石墨烯。经硅烷偶联剂修饰的石墨烯表面增加了活性基团，能提高石墨烯与其他有机物的相容性和结合力，易溶解于各种溶剂中，且易于有机或无机材料均匀地复合。
2、本发明将经过球磨之后的改性粉体加入乙醇进行冷冻干燥，冷冻后的经改性的石墨烯之间具有高分散性，应用过程不易出现团聚现象。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种高分散性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯粉体超声分散到乙醇-水体系中，制备质量浓度为0.5％的石墨烯粉体分散液，其中乙醇与水的体积比为30∶1。
(2)取硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷加入至石墨烯粉体分散液中，混合均匀，水浴控制70℃，搅拌反应12h，之后于50℃下超声分散2h，得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液；其中γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与石墨烯粉体的质量比为1∶15；
(3)将不锈钢磨球、硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液装入球磨罐中，于300r/min条件下球磨8h，收集经球磨后的硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，减压浓缩，真空干燥，得改性石墨烯；
(4)在改性粉体中加入0.8倍量的无水乙醇，搅拌50min，40℃下超声5h，之后进行真空冷冻干燥，即得高分散性石墨烯。
上述步骤(4)中的真空冷冻干燥处理具体控制参数为：真空度30Pa，冻结温度-35℃，干燥时间24h。
上述步骤(2)、(4)中的超声频率均为15KHz。
实施例2：
一种高分散性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯粉体超声分散到乙二醇-水体系中，制备质量浓度为0.3％的石墨烯粉体分散液，其中乙二醇与水的体积比为40∶1；
(2)取硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入石墨烯粉体分散液中，混合均匀，水浴控制75℃，搅拌反应16h，之后于40℃下超声分散1.5h，得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液；其中3-氨基丙基三乙氧基硅烷与石墨烯的质量比为1∶10；
(3)将不锈钢磨球、硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液装入球磨罐中，于200r/min条件下球磨6h，收集经球磨后的硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，减压浓缩，真空干燥，得改性石墨烯；
(4)在改性粉体中加入0.5倍量的无水乙醇，搅拌60min，30℃下超声6h，之后进行真空冷冻干燥，即得高分散性石墨烯。
上述步骤(4)中的真空冷冻干燥处理具体控制参数为：真空度10Pa，冻结温度-30℃，干燥时间20h。
上述步骤(2)、(4)中的超声频率均为15KHz。
实施例3：
一种高分散性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯粉体超声分散到丙酮-水体系中，制备质量浓度为0.4％的石墨烯粉体分散液，其中丙酮与水的体积比为20∶1。
(2)取硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷加入石墨烯粉体分散液中，混合均匀，水浴控制65℃，搅拌反应8h，之后于45℃下超声分散1h，得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，其中γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与石墨烯的质量比为1∶20；
(3)将不锈钢磨球、硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液装入球磨罐中，于250r/min条件下球磨10h，收集经球磨后的硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，减压浓缩，真空干燥，得改性石墨烯；
(4)在改性粉体中加入1倍量的无水乙醇，搅拌30min，35℃下超声4h，之后进行真空冷冻干燥，即得高分散性石墨烯。
上述步骤(4)中的真空冷冻干燥处理具体控制参数为：真空度20Pa，冻结温度-32℃，干燥时间24h。
上述步骤(2)、(4)中的超声频率均为15KHz。
实施例4：
一种高分散性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯粉体超声分散到二甲基甲酰胺-水体系中，制备质量浓度为0.5％的石墨烯粉体分散液，其中二甲基甲酰胺与水的体积比为40∶1；
(2)取硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入石墨烯粉体分散液中，混合均匀，水浴控制65℃，搅拌反应8h，之后于50℃下超声分散2h，得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，其中3-氨基丙基三乙氧基硅烷与石墨烯的质量比为1∶10；
(3)将不锈钢磨球、硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液装入球磨罐中，于200r/min条件下球磨10h，收集经球磨后的硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，减压浓缩，真空干燥，得改性石墨烯；
(4)在改性粉体中加入1倍量的无水乙醇，搅拌30min，30℃下超声6h，之后进行真空冷冻干燥，即得高分散性石墨烯。
上述步骤(4)中的真空冷冻干燥处理具体控制参数为：真空度15Pa，冻结温度-35℃，干燥时间20h。
上述步骤(2)、(4)中的超声频率均为15KHz。
实施例5：
一种高分散性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯粉体超声分散到乙醇-水体系中，制备质量浓度为0.3％的石墨烯粉体分散液，其中乙醇与水的体积比为20∶1；
(2)取硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷加入石墨烯粉体分散液中，混合均匀，水浴控制75℃，搅拌反应16h，之后于40℃下超声分散1h，得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，其中γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与石墨烯的质量比为1∶20；
(3)将不锈钢磨球、硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液装入球磨罐中，于300r/min条件下球磨6h，收集经球磨后的硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，减压浓缩，真空干燥，得改性石墨烯；
(4)在改性粉体中加入0.5倍量的无水乙醇，搅拌40min，40℃下超声4h，之后进行真空冷冻干燥，即得高分散性石墨烯。
上述步骤(4)中的真空冷冻干燥处理具体控制参数为：真空度30Pa，冻结温度-30℃，干燥时间24h。
上述步骤(2)、(4)中的超声频率均为15KHz。
实施例6：
一种高分散性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯粉体超声分散到丙酮-水体系中，制备质量浓度为0.35％的石墨烯粉体分散液，其中丙酮与水的体积比为25∶1；
(2)取硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入石墨烯粉体分散液中，混合均匀，水浴控制75℃，搅拌反应10h，之后于48℃下超声分散1h，得到硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，其中3-氨基丙基三乙氧基硅烷与石墨烯的质量比为1∶18；
(3)将不锈钢磨球、硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液装入球磨罐中，于280r/min条件下球磨7h，收集经球磨后的硅烷偶联剂接枝的石墨烯溶液，减压浓缩，真空干燥，得改性石墨烯；
(4)在改性粉体中加入0.7倍量的无水乙醇，搅拌45min，40℃下超声4h，之后进行真空冷冻干燥，即得高分散性石墨烯。
上述步骤(4)中的真空冷冻干燥处理具体控制参数为：真空度20Pa，冻结温度-30℃，干燥时间24h。
上述步骤(2)、(4)中的超声频率均为15KHz。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。