一种机械剥离制备石墨烯水相分散液的方法及其制备的石墨烯水相分散液

本发明涉及石墨烯技术领域，进一步地说，是涉及一种简单高效的采用机械剥离制备石墨烯水相分散液的方法及其制备的石墨烯水相分散液。

背景技术：

石墨烯中每个碳原子通过sp2杂化与周围的碳原子成键构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，它是严格意义上的二维结构材料。二维的石墨烯可以看成是其它维度碳材料的基本组成单元。

在石墨烯片层内，每个c原子形成三个σ键，并会剩余一个p轨道电子共同形成一个大π键。σ键强度很高，因此石墨烯具有优异的力学性能，其杨氏模量可高达1.1tpa，断裂强度高达125gpa。另外，π电子可以在石墨烯层内高速自由移动，这赋予了石墨烯优异的导电性能，其导电率可达106s/m。此外，石墨烯的比表面积也高达2630m²/g。

理论上，由于石墨烯的结构是只有一个碳原子厚度的二维平面，其比表面积大，导致其具有不稳定性。在粉末状态下，为了降低自身的能量往往产生发生褶皱和团聚。石墨烯本身缺少亲水性官能团，呈现疏水性，因此无法和很多水性聚合物(如橡胶胶乳、涂料等)实现高分散度的复合，阻碍了其在复合材料领域的很多应用。因此，制备高分散的石墨烯分散液具有重要的应用价值。

到目前为止，制备石墨烯分散液的方法主要有以下几种：(1)氧化还原法制备石墨烯分散液。即使用强酸氧化石墨烯使得石墨烯边缘部分出现大量的含氧官能团，从而提高了石墨烯的分散性能，但是这种方法会破坏石墨烯的片层结构，引入缺陷，导致石墨烯的各项性能降低；(2)使用超声制备石墨烯分散液。超声分散方法简单，可以短时间制备大量石墨烯分散液，但由于石墨烯本身的结构特性，因此不能长时间保存，极易团聚。(3)现有球磨法中常使用有机溶剂进行分散，有机溶剂的使用会对环境造成破坏。

因此，需要解决现有制备方法中石墨烯水分散液不稳定或结构破坏的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种机械剥离制备石墨烯水相分散液的制备方法及其制备的石墨烯水相分散液，解决了现有制备方法中的石墨烯水分散液不稳定或结构破坏的问题。本发明制备的石墨烯水相分散液稳定性非常好，且球磨过程相比较强氧化作用对石墨烯片层的结构破坏更小，因此能够让石墨烯保持很好的结构，从而最大程度的保证石墨烯的各项性能。

本发明的目的之一是提供一种机械剥离制备石墨烯水相分散液的方法，包括以下步骤：

将石墨、亲水性分散剂、疏水性分散剂加入到去离子水中，搅拌均匀后，进行球磨，得到石墨烯初始分散液；

将所述石墨烯初始分散液离心，制得所述石墨烯水相分散液。

优选的，步骤(1)中，所述石墨为天然石墨、鳞片石墨、膨胀石墨和热裂解石墨中的一种或一种以上。

优选的，步骤(1)中，所述亲水性分散剂为亚甲基双萘磺酸钠、聚苯乙烯磺酸钠、木质素磺酸钠中的一种或组合。

优选的，步骤(1)中，所述疏水性分散剂为十六烷基三甲基溴化铵、二烯丙基二甲基氯化铵、四丁基溴化铵中的一种或组合。

优选的，步骤(1)中，所述石墨、亲水性分散剂、疏水性分散剂的质量比为100：0.2～5：0.2～1。

优选的，步骤(1)中，石墨的初始浓度为50～150mg/ml。球磨时，物料体积占球磨罐1/2～2/3，此时研磨效果较好。

优选的，步骤(1)中，球磨转速为100-500r/min，球磨时间为8～24h。

优选的，步骤(1)中，球磨时，球磨罐为氧化锆罐、聚四氟乙烯球磨罐或玛瑙球磨罐。

优选的，步骤(2)中，离心处理时，离心机的转速为3000～5000rpm。由于球磨过程中还存有石墨以及片层较厚的石墨烯，离心可以将石墨以及片层较厚的石墨烯分离出去形成沉淀，此时可以得到片层较薄的石墨烯。

本发明的目的之二是采用本发明目的之一的方法制备的石墨烯水相分散液。

本发明使用球磨法制备石墨烯分散液的机理是，通过加入亲水性分散剂和疏水性分散剂来分别引入亲水端和疏水端。石墨烯通过球磨的剪切作用从石墨中剥离出来，亲水性分散剂插层到石墨片层当中通过范德华力负载到石墨烯表面，此时疏水性分散剂通过离子作用与亲水性分散剂结合同时作用于石墨烯表面，疏水性分散剂相互排斥帮助石墨烯的剥离，同时剥离后亲水性分散剂由于亲水基团作用能使得石墨烯稳定存在于水中。

有益效果：

(1)在球磨的作用下，石墨烯从石墨中被剥离出来，由于亲水性分散剂(亚甲基双萘磺酸钠，聚苯乙烯磺酸钠，木质素磺酸钠等)具有苯环结构，与石墨烯形成π-π相互作用附着到石墨烯表面，同时亲水性分散剂的官能团(磺酸基)带有负电荷，与疏水性分散剂(十六烷基三甲基溴化铵，四丁基溴化铵，二烯丙基二甲基氯化铵)的官能团(铵根)带有的正电荷通过静电作用结合到一起，此时疏水性分散剂的疏水端(长链端，双键)相互排斥，其静电作用辅助石墨烯分散液的剥离。当石墨烯剥离结束后，由于石墨烯表面带有的亲水性官能团，从而也增强了石墨烯的稳定性。

(2)球磨过程比强氧化作用对石墨烯片层的结构破坏性小，因此能够很好的保证石墨烯的结构完整性，从而保证石墨烯优异的各项性能。

(3)本发明在球磨过程中使用水进行分散，相对于使用有机溶剂进行分散，方法无污染，对环境友好，且操作简单。

附图说明

图1为实施例1所制备石墨烯水相分散液的照片；

图2为实施例1所制备石墨烯水相分散液放置1个月后的照片；

图3为实施例1所制备石墨烯的原子力电镜图；

图4为实施例1所制备石墨烯的厚度分布图；

图5为实施例1所制备石墨烯的x射线电子衍射图；

图6为实施例1所制备石墨烯的电导率测试曲线。

具体实施方式

下面结合具体附图及实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。

实施例1

本实施例石墨烯水相分散液，通过如下方法制备：

(1)称取膨胀石墨25000mg，将膨胀石墨、亚甲基双萘磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵质量比为100：5：0.25的比例称取相应质量的膨胀石墨、亚甲基双萘磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵原料；

(2)将上述原料混合后加入500ml去离子水后，再加入到氧化锆球磨罐中，并安装到行星式球磨机用300rpm的转速球磨24h；

(3)将上步取得的石墨烯初始分散液从球磨罐中倒出，用3000rpm的转速进行离心，处理10min，结束后取上层清液，即可得到所需要的石墨烯水相分散液。

本实施例中石墨烯水相分散液及表征测试图如图1-6所示。如图1和2所示，制备得到的石墨烯分散液稳定性非常好，在室温环境下放置1月依然保持较好的稳定性。如图3和图4所示为afm测试的数据，制备得到石墨烯的厚度为1.630nm，石墨烯层数为3-5层，但由于石墨烯在afm测试过程中会出现重新聚集的状况，因此测试厚度会比实际厚度要大，此时可认为已经制备得到了单层石墨烯。如图5所示，为石墨烯与石墨的x射线衍射图谱，由于石墨在23.7°和26.3°都有峰强，证明其碳材料吸收峰位置在23.7°和26.3°处，此时根据石墨烯的峰强位置(23.7°和26.3°)，即可判断制备得到的产物为碳材料，即对石墨烯进行定性分析。如图6所示，在压强为0-25mpa时，制备得到石墨烯的电导率在2.2636×10⁴～7.331×10⁴s/m范围内。石墨烯的电导率随着压力的增加逐渐增加，同时由于测试过程需要进行一定的载荷，导致石墨烯进行重叠，因此实际电导率要比测试值要高，即制备的石墨烯具有非常优异的导电性能。

实施例2

本实施例石墨烯水相分散液，通过如下方法制备：

(1)称取热裂解石墨50000mg，将热裂解石墨、聚苯乙烯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵质量比为100：5：1比例称取相应质量的热裂解石墨、聚苯乙烯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵原料；

(2)将上述原料混合后加入500ml去离子水后，再加入到聚四氟乙烯球磨罐中，并安装到行星式球磨机用450rpm的转速球磨18h；

(3)将上步产物从球磨罐中倒出，用4000rpm的转速进行离心，处理10min，结束后取上层清液，即可得到所需要的石墨烯水相分散液。

实施例3

本实施例石墨烯水相分散液，通过如下方法制备：

(1)称取天然石墨75000mg，将天然石墨、亚甲基双萘磺酸钠、四丁基溴化铵质量比为100：0.2：0.7比例称取相应质量的天然石墨、亚甲基双萘磺酸钠和四丁基溴化铵原料；

(2)将上述原料混合后加入500ml去离子水后，再加入到玛瑙球磨罐中，并安装到行星式球磨机用100rpm的转速球磨8h；

(3)将上步产物从球磨罐中倒出，用5000rpm的转速进行离心，处理10min，结束后取上层清液，即可得到所需要的石墨烯水相分散液。

实施例4

本实施例石墨烯水相分散液，通过如下方法制备：

(1)称取鳞片石墨50000mg，将鳞片石墨、木质素磺酸钠、二烯丙基二甲基氯化铵质量比为100：3：0.2比例称取相应质量的鳞片石墨、木质素磺酸钠和二烯丙基二甲基氯化铵原料；

(2)将上述原料混合后加入500ml去离子水后，再加入到氧化锆球磨罐中，并安装到行星式球磨机用500rpm的转速球磨12h；

(3)将上步产物从球磨罐中倒出，用4000rpm的转速进行离心，处理10min，结束后取上层清液，即可得到所需要的石墨烯水相分散液。

实施例5

(1)称取鳞片石墨50000mg，将鳞片石墨、木质素磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵质量比为100：4：0.2比例称取相应质量的鳞片石墨、木质素磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵原料；

(2)将上述原料混合后加入500ml去离子水后，再加入到氧化锆球磨罐中，并安装到行星式球磨机用500rpm的转速球磨18h；

(3)将上步产物从球磨罐中倒出，用3500rpm的转速进行离心，处理10min，结束后取上层清液，即可得到所需要的石墨烯水相分散液。

对比例1

(1)称取鳞片石墨50000mg将鳞片石墨、木质素磺酸钠的质量比为100：4比例称取相应质量的鳞片石墨和木质素磺酸钠原料；

(2)将上述原料混合后加入500ml去离子水后，再加入到氧化锆球磨罐中，并安装到行星式球磨机用500rpm的转速球磨18h；

(3)将上步产物从球磨罐中倒出，用3500rpm的转速进行离心，处理10min，结束后取上层清液，即可得到所需要的石墨烯水相分散液。

对比例2

(1)称取鳞片石墨50000mg，将鳞片石墨、十六烷基三甲基溴化铵质量比为100：0.2比例称取相应质量的鳞片石墨和十六烷基三甲基溴化铵原料；

(2)将上述原料混合后加入500ml去离子水后，再加入到氧化锆球磨罐中，并安装到行星式球磨机用500rpm的转速球磨18h；

(3)将上步产物从球磨罐中倒出，用3500rpm的转速进行离心，处理10min，结束后取上层清液，即可得到所需要的石墨烯水相分散液。

实施例1、实施例2、实施例3、实施例4对应石墨烯的测试结果见表1.

表1：

此处石墨烯层数和厚度数据是通过在afm测试中滴加石墨烯水相分散液进行测试获得的，bet数据是通过将石墨烯水相分散液烘干后制成石墨烯粉体进行测试获得的。

实施例3、实施例4、实施例5对应石墨烯片层比较多的原因是(1)相比较膨胀石墨以及热裂解石墨而言，天然石墨与鳞片石墨的片层之间更为紧密，需要的剪切作用较强；(2)球磨时间对浓度影响较大，实施例3、实施例4和实施例5球磨时间较例1和例2较低。

对比例1和对比例2相比实施例5厚度偏大，具体原因如下(1)相比单纯加入亲水性分散剂，没有疏水作用的排斥作用导致石墨烯没有剥离完全，因此其厚度较厚；(2)相比单纯加入疏水性分散剂，没有π-π作用到石墨烯表面导致静电排斥无法辅助剥离，因此其厚度也较厚。

将本发明得到的石墨烯水相分散液作为补强填料和导热填料应用到橡胶领域，通过胶乳共混法将本发明实施例1制备的石墨烯水相分散液加入到天然橡胶当中，其力学性能如表2所示，导热性能如表3所示。通过表2可以看出，随着石墨烯水相分散液份数的增加，其拉伸强度和定伸强度都有所增大，说明球磨法制备的石墨烯水相分散液中的石墨烯具有一定的补强作用；通过表3可以看出，随着石墨烯水相分散液份数的增加，其热导率和热扩散系数都有所增大，即导热性能增大，说明球磨法制备的石墨烯水相分散液中的石墨烯具有一定的增强导热的作用。与现有技术氧化还原法制备的石墨烯相比，球磨法制备的石墨烯水相分散液中的石墨烯片层的结构相对较为完整，因此，其补强作用和导热效果优于氧化还原法制备的石墨烯。

表2

拉伸强度依据gb/t528-2009，撕裂强度依据gb/t529-2008。

其中，a指的是本发明制备的石墨烯水相分散液；例如：1-aphr指的是指以167重量份的橡胶胶乳(天然橡胶胶乳的固含量是60％，因此橡胶质量份数为100)为基准，加入1重量份本发明实施例1制备的石墨烯水相分散液；b指的是现有技术氧化还原法制备的石墨烯的水相分散液，其与本发明实施例1制备的石墨烯水相分散液的质量浓度相同；3-bphr指的是指以167重量份的橡胶胶乳为基准，加入3重量份氧化还原法制备的石墨烯的水相分散液。

热参数测试：

热导率公式如下所示

λ＝ρcpα

其中，ρ为样品密度，采用排水法测量。cp为样品比热容，采用蓝宝石法，使用差示扫描热仪(dsc)测试。

α为样品的热扩散系数，基于激光善射法，使用激光导热仪进行测试：样品需裁成12.5mm(垂直热导)或24.5mm(薄膜平行热导)直径的小圆片，上下表面喷涂上细石墨粉末。

热参数数据如表3所示，

表3

其中，a指的是本发明制备的石墨烯水相分散液，1-aphr指的是指以167重量份的橡胶胶乳为基准，加入1重量份本发明实施例1制备的石墨烯水相分散液；b指的是现有技术氧化还原法制备的石墨烯的水相分散液，其与本发明实施例1制备的石墨烯水相分散液的浓度相同；3-bphr指的是指以167重量份的橡胶胶乳为基准，加入3重量份氧化还原法制备的石墨烯的水相分散液。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变化都应属于本发明所附权利要求的保护范围。