一种带正电稳定的石墨烯水分散液及其制备方法与流程

本发明属于功能材料技术领域，涉及一种带正电稳定的石墨烯水分散液及其制备方法。

背景技术：

石墨烯作为一种新型的具有蜂巢状晶格结构的二维碳纳米材料，自2004年，英国曼彻斯特大学教授Novosdov等首次制备出来后就立刻吸引了国内外无数科学家的重点关注。与石墨其它形式的同素异形体相比，显示出独特的性能，如室温量子赫尔效应、双极性的电场效应、可调的价带以及高度的弹性等。石墨烯拥有特殊纳米结构使其在诸如纳米电子学、传感器、纳米复合物、电池、超级电容器以及储氢材料等领域具备广泛的应用前景。

然而，石墨烯自身的团聚问题成了批量化生产石墨烯的一大挑战。由于拥有高比表面积，石墨烯倾向于形成不可逆的团聚物，甚至由于范德华力的作用会重新堆叠成石墨。另外若要石墨烯优异的物理化学性能能够得到充分的利用，首先要求石墨烯可以稳定分散于水或其他有机溶剂中。所以，如何有效地防止团聚的发生，使得石墨烯在溶剂中稳定分散，对于石墨烯的产业化以及石墨烯在功能流体、光电器件、石墨烯墨水等领域的工业化应用有着至关重要的意义。

目前氧化还原方法制备石墨烯分散液的方法相对简单快捷，且能够进行规模化生产，是常见的制备石墨烯分散液的方法，通过改性的Hummers法制备氧化石墨烯，经过超声方式对氧化石墨烯进行剥离得到水溶液中悬浮液再利用水合肼、硼氢化钠等物质通过化学还原的方法进行还原。但是在还原过程中，由于氧化石墨烯表面的含氧官能团的减少，石墨烯片间的电荷斥力相应减弱,导致石墨烯在水溶液中发生不可逆团聚，团聚后的石墨烯在水中不具有纳米分散性，从而阻断了其进一步的处理和应用，目前使用表面活性剂和稳定剂来辅助分散还原氧化石墨烯是提高其分散液浓度以及稳定性的方法，但是表面活性剂和稳定剂在后续应用中难以被完全去除，导致制备的复合材料的导电导热性能、力学等性能下降，这极大地限制了石墨烯水分散液的应用，另一方面水合肼、硼氢化钠等还原剂毒性较高，对环境危害大。

申请号为201410445881.8中国发明专利申请公开了一种改性石墨烯水分散液的制备方法，采用了聚乙烯吡咯烷酮、聚氧乙烯、聚苯乙烯磺酸钠等表面活性剂共价改性石墨烯，在后续处理中难除去，影响石墨烯的进一步工业化应用。申请号为201510242472.2的中国发明专利公开了一种还原氧化石墨烯水分散液及制备方法，采用纤维素纳米晶分散方式获得还原氧化石墨烯分散液，其中采用了水合肼、苯甲醇等还原剂不利于环境保护，并且对人的身体健康有危害。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种环境友好的，不添加任何表面活性剂以及稳定剂的带正电稳定的石墨烯水分散液及其制备方法。

本发明不添加任何表面活性剂以及稳定剂有利用石墨烯进一步的工业化应用，使用环保型还原剂，符合绿色环保的要求。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种带正电稳定的石墨烯水分散液的制备方法，包括以下步骤：

1)氧化石墨烯改性：以质量份数计，将0.1～0.6份氧化石墨烯加100～500份无水乙醇进行分散，将得到的分散后的氧化石墨烯分散液与1～8份硅烷偶联剂投入反应釜升温至40～90℃回流反应6～10小时，经抽滤洗涤后分散于60～80份去离子水中得到分散液；所述的硅烷偶联剂选用乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种；

2)以质量份数计，将步骤1)所得的分散液，5～30份阳离子单体，0.5～1.5份引发剂，350～550份去离子水投入反应釜，升温至60～90℃反应2～3小时，后经抽滤洗涤分散于40～60份去离子水中，得分散液；所述的阳离子单体为丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)中的一种或多种；

3)氧化石墨烯还原：以质量份数计，取步骤2)所得分散液的20～40份，0.25～3份抗坏血酸钠，80～120份去离子水投入反应釜，升温至40～100℃反应2～4小时，经抽滤洗涤分散于60～100份去离子水中得到带正电稳定的石墨烯水分散液。

为进一步实现本发明的目的，优选地，所述的引发剂为过硫酸盐类引发剂中的过硫酸钠、过硫酸铵和过硫酸钾中的一种或多种。

优选地，步骤1)所述的将0.1～0.6份氧化石墨烯加100～500份无水乙醇进行分散的分散方式选用先进行超声波分散处理，再进行细胞粉碎处理。

优选地，所述的超声波分散处理的时间为5～20分钟。

优选地，所述的细胞粉碎处理的时间为30～150分钟。

优选地，所述的氧化石墨烯通过Hummers法制备。

一种带正电稳定的石墨烯水分散液，由上述的制备方法制得，所述的石墨烯水分散液带正电荷，石墨烯水分散液Zeta电位值大于阈值30mV，分散均匀稳定，在室温下存放两个月没有沉渣。

本发明的机理：本发明提供一种带正电稳定的石墨烯水分散液。一般而言，氧化石墨烯带负电，本发明利用硅烷偶联剂将氧化石墨烯与阳离子单体结合起来，所用的阳离子单体带铵根离子，再用抗坏血酸钠还原去除部分含氧官能团后得到石墨烯水分散液，正电荷在石墨烯表面形成双电层结构，通过静电斥力可以有效地避免石墨烯之间的团聚，所得的石墨烯水分散液具有良好的稳定性。

本发明与传统工艺技术相比，有益效果如下：

(1)现有的技术制得的石墨烯水分散液的Zeta电位值均是负值，还未见有关制得带正电的石墨烯水分散液报道；本发明制备的带正电的石墨烯水分散液Zeta电位值大于阈值30mV，稳定性良好，可以在两个月内保持稳定分散。

(2)传统技术中经过超声方式对氧化石墨烯进行剥离得到水溶液中悬浮液再利用水合肼、硼氢化钠等物质通过化学还原的方法进行还原，而本发明对氧化石墨烯进行改性后再还原，避免使用水合肼等强毒性和挥发性化合物作为还原剂，本发明使用的还原剂是绿色环保的抗坏血酸钠，在使用过程中可以不危害身体健康和破坏生态环境，可满足工业化需求。本发明中

(3)现有技术先用表面活性剂共价改性再加入稳定剂，表面活性剂和稳定剂在后续应用中难以被完全去除，导致制备的复合材料的导电导热性能、力学等性能下降，这极大地限制了石墨烯水分散液的应用，本发明对氧化石墨烯先进行改性，利用改性后石墨烯内在的电化学相互作用力稳定石墨烯片层；因此本发明就避免使用表面活性剂和稳定剂等对石墨烯性能的影响。

(4)本发明的石墨烯水分散液具有良好的稳定性，这就可以使得石墨烯的优异的物理化学性能如非常稳定的结构、高的载流子迁移率、高导电和导热性、超强的机械性能、高的比表面积和很好的光学透过率得到充分的展示，有利于石墨烯在阳离子聚合、磷化过程、石墨烯墨水、功能流体以及薄膜材料等领域得到广泛的工业化应用。

(5)本发明相较于传统的制备石墨烯水分散液的技术，提出一种新型的带正电石墨烯水分散液，拓展了石墨烯的应用领域，如阳离子聚合等。

(6)本发明反应过程无需复杂设备，适合大规模的工业化生产。

附图说明

图1是本发明实施例1所得石墨烯稳定分散液的Zeta电位分析图；

图2是本发明实施例2所得石墨烯稳定分散液的Zeta电位分析图；

图3是本发明实施例3所得石墨烯稳定分散液的Zeta电位分析图；

图4是本发明中实施例3中氧化石墨烯的扫描电镜图；

图5是本发明实施例3中硅烷偶联剂改性氧化石墨烯后样品的扫描电镜图；

图6是本发明实施例3中阳离子单体接枝改性后样品的扫描电镜图；

图7是本发明中实施例3中抗坏血酸钠还原后制得的石墨烯的扫描电镜图。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐述本发明，但实施例不构成对本发明权利要求保护范围的限定。

实施例1

1)按重量份数计，取氧化石墨烯粉末0.2份，加入200份无水乙醇，超声分散10分钟，再细胞粉碎60分钟后得到氧化石墨烯(GO)分散液，与2份乙烯基三甲氧基硅烷(A-171)一同投入反应釜中，升温至70℃回流反应8小时，反应完成后抽滤洗涤加60份去离子水得到分散液；

2)按重量份数计，将步骤1)所得分散液与10份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)，1份过硫酸铵(APS)，400份去离子水投入反应釜，升温至70℃反应两小时，反应完成后抽滤洗涤加入60份去离子水得到分散液；

3)按重量份数计，取步骤2)分散液的20份，0.5份抗坏血酸钠，100份去离子水投入反应釜，升温至80℃反应3小时，反应完成后抽滤洗涤分散于去离子水中得到稳定均匀分散的浓黑色石墨烯水分散液。

本发明使用马尔文粒径分析仪(Malvern，ZS Nano S)测试所得的石墨烯分散液的Zeta电位，分析其分散稳定性。结果如图1所示，Zeta电位值为35.3mV，大于阈值30mV，说明分散液具有很好的稳定性。

本实施例1得到的石墨烯水分散液均匀稳定，在室温下存放两个月未见任何沉渣。

本实施例1在不使用表面活性剂与稳定剂的条件下很好地解决了石墨烯在水中的分散性问题，得到的带正电的稳定石墨烯水分散液在制备过程中避免加入表面活性剂与稳定剂，有利于后续的工业化生产。

本实施例1采用的还原剂是环保型的，符合当今绿色环保的理念。

实施例2

1)按重量份数计，取氧化石墨烯粉末0.4份，加入400份无水乙醇，超声分散20分钟，再细胞粉碎120分钟后得到氧化石墨烯(GO)分散液，与5份甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷一同投入反应釜中，升温至80℃回流反应8小时，反应完成后抽滤洗涤加60份去离子水得到分散液；

2)将步骤1)所得分散液与30份丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)，1份过硫酸钠，400份去离子水投入反应釜，升温至70℃反应两小时，反应完成后抽滤洗涤加入60份去离子水得到分散液；

3)取步骤二分散液的20份，1.5份抗坏血酸钠，100份去离子水投入反应釜，升温至80℃反应2.5小时，反应完成后抽滤洗涤分散于去离子水中得到稳定均匀分散的浓黑色石墨烯水分散液。

对所得的石墨烯分散液进行Zeta电位的测试，结果如图2所示，Zeta电位值为42.0mV，大于阈值30mV，说明分散液具有很好的稳定性。

本实施例2得到的石墨烯水分散液呈现浓黑色，均匀分散，稳定时间久，在室温下存放两个月未见任何沉渣。

实施例3

1)按重量份数计，取氧化石墨烯粉末0.2份，加入200份无水乙醇，超声分散10分钟，再细胞粉碎30分钟后得到氧化石墨烯(GO)分散液，与2份乙烯基三乙氧基硅烷(A151)一同投入反应釜中，升温至80℃回流反应8小时，反应完成后抽滤洗涤加70份去离子水得到分散液；

2)将步骤1)所得分散液与5份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)，1份过硫酸铵(APS)，400份去离子水投入反应釜，升温至70℃反应两小时，反应完成后抽滤洗涤加入60份去离子水得到分散液；

3)取步骤2)分散液的25份，0.25份抗坏血酸钠，100份去离子水投入反应釜，升温至80℃反应2小时，反应完成后抽滤洗涤分散于去离子水中得到稳定均匀分散的浓黑色石墨烯水分散液。

对所得的石墨烯分散液进行Zeta电位的测试，结果如图3所示，Zeta电位值为34.9mV，大于阈值30mV，说明分散液具有很好的稳定性。

本实施例3得到的石墨烯水分散液呈现浓黑色，均匀分散，稳定时间久，在室温下存放两个月未见任何沉渣。

实施例4

1)按重量份数计，取氧化石墨烯粉末0.2份，加入200份无水乙醇，超声分散10分钟，再细胞粉碎60分钟后得到氧化石墨烯(GO)分散液，与2份乙烯基三乙氧基硅烷(A151)一同投入反应釜中，升温至80℃回流反应8小时，反应完成后抽滤洗涤加80份去离子水得到分散液；

2)将步骤1)所得分散液与20份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)，1份过硫酸钾，400份去离子水投入反应釜，升温至70℃反应两小时，反应完成后抽滤洗涤加入50份去离子水得到分散液；

3)取步骤2)分散液的35份，1份抗坏血酸钠，100份去离子水投入反应釜，升温至70℃反应2.5小时，反应完成后抽滤洗涤分散于去离子水中得到稳定均匀分散的浓黑色石墨烯水分散液。

对所得的石墨烯分散液进行Zeta电位的测试，所得的Zeta电位值同样大于阈值30mV。

本实施例4得到的石墨烯水分散液均匀稳定，在室温下存放两个月未见任何沉渣，并且在制备过程中避免加入表面活性剂与稳定剂，有利于后续的工业化生产，采用的还原剂是环保型的符合当今绿色环保的理念。

实施例5

1)按重量份数计，取氧化石墨烯粉末0.6份，加入500份无水乙醇，超声分散10分钟，再细胞粉碎60分钟后得到氧化石墨烯(GO)分散液，与7份甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷一同投入反应釜中，升温至80℃回流反应10小时，反应完成后抽滤洗涤加60份去离子水得到分散液；

2)将步骤1)所得分散液与28份二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)，1.5份过硫酸钾，530份去离子水投入反应釜，升温至90℃反应两小时，反应完成后抽滤洗涤加入60份去离子水得到分散液；

3)取步骤2)分散液的40份，3份抗坏血酸钠，120份去离子水投入反应釜，升温至95℃反应3.5小时，反应完成后抽滤洗涤分散于去离子水中得到稳定均匀分散的浓黑色石墨烯水分散液。

对所得的石墨烯分散液进行Zeta电位的测试，所得的Zeta电位值同样大于阈值30mV。

本实施例5得到的石墨烯水分散液均匀稳定，在室温下存放两个月未见任何沉渣，并且在制备过程中避免加入表面活性剂与稳定剂，有利于后续的工业化生产，采用的还原剂是环保型的符合当今绿色环保的理念。

本发明中还针对实施例3用扫描电镜(FE-SEM，SU-8200，Japan)表征其微观分散情况。对氧化石墨烯、硅烷偶联剂改性后的样品、阳离子单体进一步接枝改性后的样品以及抗坏血酸钠还原后的石墨烯样品进行了扫描电镜的表征，氧化石墨烯的SEM图如图4，从图4中可以看出氧化石墨烯光滑的片层结构，经过硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷(A151)以及阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)改性后的样品SEM图如图5和图6，从图中可以明显看出氧化石墨烯的片层结构不再光滑平展，而是褶皱的，这说明两步改性是成功的，经抗坏血酸钠还原制得的石墨烯的SEM图如图7所示，石墨烯不再具有氧化石墨烯光滑的片层结构，部分含氧官能团已经被去除，本发明成功制得了石墨烯。

需要说明的是，本发明保护范围不受实施例的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。