本发明涉及一种3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的合成方法，属有机合成领域。
背景技术：
氧化石墨烯是一种重要的石墨烯衍生物，在复合材料领域有着独特的用途。其表面上存在大量的含氧基团，如羟基、羧基、环氧基等，可以通过共价或非共价的方法在氧化石墨烯表面进行功能化修饰，得到功能化氧化石墨烯，功能化后的改性氧化石墨烯可与橡胶、聚乙烯醇、壳聚糖等高分子形成作用力，用于改性高分子材料的特性，也可与纳米金属氧化物作用，用于太阳能电池。
3-氨基丙基三乙氧基硅烷是一种重要的硅氧烷化合物，分子内的氨基、烷氧基等基团均可与氧化石墨烯表面的官能团反应，形成3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯化合物。马文石和周俊文在高等学校化学学报，2013，31(10)：1982～1986《一种可分散性石墨烯的制备》一文公开了一种3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的方法，该方法是将氧化石墨烯分散在乙醇-水混合溶剂中，再加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌24h；张丹凤和范楼珍等在高等学校化学学报，2014，35(11)：2466～2471《氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸丁酯复合材料的热稳定性》一文公开了一种3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的方法，该方法是将氧化石墨烯分散在乙醇中，再将3-氨基丙基三乙氧基硅烷/乙醇混合液加入氧化石墨烯/乙醇分散液中，回流反应6h制备，上述两种方法均存在使用有机溶剂、反应时间长等问题，导致成本高、反应周期长、能耗高。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服背景技术中的不足和缺陷，提供一种采用非有机溶剂为分散介质、反应时间短的3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的合成方法。
为解决上述问题，本发明的整体思路是：通过控制反应条件，先将氧化石墨烯分散在水中，再加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷，选择合适的催化剂，使3-氨基丙基三乙氧基硅烷和氧化石墨烯快速、高效反应，制备3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯。
本发明提供一种3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的合成方法，以氧化石墨烯为原料，包括如下步骤：
将氧化石墨烯加入水中，在25℃～35℃的温度范围内超声分散0.3h～1.2h，再加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷和催化剂，其中氧化石墨烯、水、3-氨基丙基三乙氧基硅烷和催化剂的质量比为1.0～3.0：800～1200：5.0～10.0：0.5～3.0，在30℃～45℃的温度范围内反应0.5～1.5h，离心，洗涤，干燥，得到黑色粉末3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯；所述催化剂为质量分数10％盐酸或质量分数10％硫酸。
本发明优选的3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的合成方法，以氧化石墨烯为原料，包括如下步骤：
将氧化石墨烯加入水中，在30℃的温度下超声分散0.5h，再加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷和催化剂质量分数10％盐酸，其中氧化石墨烯、水、3-氨基丙基三乙氧基硅烷和催化剂质量分数10％盐酸的质量比为2.0：1000：6.0：1.5，在35℃的温度范围内搅拌反应1.0h，离心，洗涤，干燥，得到黑色粉末3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯。
本发明与现有技术相比，其有益效果：
(1)本发明利用水替代水/乙醇混合溶剂作为分散介质，避免了有机溶剂乙醇的使用。
(2)本发明通过加入质量分数为10％盐酸或10％硫酸作为催化剂，将反应时间由文献值的6h～24h缩短至1.0h，有效缩短了反应周期。
具体实施方式
本发明所用的氧化石墨烯通过北京百灵威科技有限公司购买，其余试剂为市售分析纯。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的合成
将20mg氧化石墨烯加入10ml水中，在30℃的温度下超声分散0.5h，然后加入60mg3-氨基丙基三乙氧基硅烷和15mg质量分数10％的盐酸，在35℃的温度范围内反应1.0h，离心，洗涤，干燥，得到黑色粉末3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯30mg。
结构鉴定：
1.红外分析
在目标化合物3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的红外光谱中可以看出，氧化石墨中1740cm-1处的羰基伸缩振动吸收峰已经移至1636cm-1，在1539cm-1处出现的n-h弯曲振动吸收峰也可说明酰胺键的形成，即3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的氨基与氧化石墨中的羧基形成了酰胺健。相应的氧化石墨中1248cm-1处的环氧基特征吸收峰变得非常弱，甚至消失，说明3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的部分氨基与氧化石墨中的环氧基发生了加成反应。改性氧化石墨在1040cm-1处出现了si-o-si键的伸缩振动吸收峰，这是由3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的部分烷氧基经水解缩合而形成的。说明氧化石墨烯表面已被3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性。
实施例2
3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的合成
将20mg氧化石墨烯加入10ml水中，在30℃的温度下超声分散0.5h，然后加入60mg3-氨基丙基三乙氧基硅烷和15mg质量分数10％的硫酸，在30℃的温度范围内反应1.0h，离心，洗涤，干燥，得到黑色粉末3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯29mg。
实施例3
3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的合成
将20mg氧化石墨烯加入11ml水中，在30℃的温度下超声分散1.0h，然后加入70mg3-氨基丙基三乙氧基硅烷和40mg质量分数10％的盐酸，在40℃的温度范围内反应1.0h，离心，洗涤，干燥，得到黑色粉末3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯28mg。
实施例4
3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的合成
将15mg氧化石墨烯加入10ml水中，在33℃的温度下超声分散0.5h，然后加入65mg3-氨基丙基三乙氧基硅烷和30mg质量分数10％的硫酸，在35℃的温度范围内反应0.5h，离心，洗涤，干燥，得到黑色粉末3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯29mg。
实施例5
3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯的合成
将25mg氧化石墨烯加入12ml水中，在30℃的温度下超声分散1.0h，然后加入60mg3-氨基丙基三乙氧基硅烷和20mg质量分数10％的硫酸，在35℃的温度范围内反应1.0h，离心，洗涤，干燥，得到黑色粉末3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯27mg。
实施例6
将20mg氧化石墨烯加入12ml水中，在30℃的温度下超声分散0.8h，然后加入80mg3-氨基丙基三乙氧基硅烷和20mg质量分数10％的盐酸，在45℃的温度范围内反应1.5h，离心，洗涤，干燥，得到黑色粉末3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性氧化石墨烯29mg。