一种石墨烯分散液及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属石墨烯新材料技术领域，涉及一种石墨烯分散液及其制备方法，特别是涉及一种在水中用水性钛酸酯表面修饰石墨烯并在磁场中对石墨烯进行超声处理的石墨稀分散液及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前石墨烯的运用及其广泛，但由于石墨烯颗粒度很小，最小的石墨烯长度只有I微米左右，这就导致石墨烯在使用的时候极易出现团聚的现象，团聚现象的出现，不仅会对产品性能造成很大影响，另一方面会大幅提升石墨烯使用量，造成成本上升。
[0003]石墨烯通常需要与其他材料复合使用，石墨烯具有很强的疏水性，这就使得石墨烯在大部分液体中的相容性很差。为使石墨烯与其他材料有机结合，现有技术利用水性钛酸酯对石墨烯表面进行修饰处理，然后与水混合制成悬浮液。一方面是考虑水性钛酸酯与其他材料如高分子材料有良好的结合性能，另一方面也考虑了水性钛酸酯能改善石墨烯的团聚。
[0004]但是，由于石墨烯的特殊性能，在采用水性钛酸酯对石墨烯进行表面修饰时，并不能均匀地将水性钛酸酯分配给欲予以表面修饰的石墨烯。石墨烯具有比表面积极大、堆积密度非常小的特性，水性钛酸酯的密度偏大，这就造成了在使用水性钛酸酯对石墨烯进行处理时石墨烯与水性钛酸酯的体积比极大。少量的水性钛酸酯加入到石墨烯中时能能被修饰到的石墨烯很少，而且还会造成石墨烯小范围的结团团聚。这样的方法来处理石墨烯，基本起不到石墨烯表面修饰的作用。
[0005]2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈.海姆教授和康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯行业仍在量产摸索阶段，主要的制备方法有微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法；其中氧化石墨还原法由于制备成本相对较低，是主要制备方法。通过这种方法制备的石墨烯的层数一般为6-10层，石墨烯的层数大，会引起石墨烯比较面积的变小，这一变化会使得石墨烯的各方面性能大幅下降，包括机械强度、导电性能、导热性能。现有技术也出现了制备少层或单层石墨烯的方法，但是相对应的，这些方法具有成本高、效率底的重大缺陷。少层或单层石墨烯的使用，不仅能大幅降低石墨烯的使用量，还能更好的发挥石墨独特的性能。
【发明内容】
[0006]本发明涉及一种石墨烯分散液及其制备方法，特别是提供一种在水中用水性钛酸酯表面修饰石墨烯的石墨烯分散液并在磁场条件下对石墨烯分散液进行超声处理使得石墨烯充分剥离，是一种能使石墨烯充分分散和剥离的石墨烯分散液及其制备方法。本发明先将水性钛酸酯溶解在水中，然后加入石墨烯，在磁场中对石墨烯分散液进行超声处理，使得水性钛酸酯在水中能对石墨烯进行充分的表面修饰达到石墨烯充分分散的效果，磁场的作用使得多层石墨烯在超声处理时充分剥离成少层或单层结构。所述石墨烯分散液经静置后水中无絮状团聚物，并在运用的时候也不会产生团聚，经钛酸酯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结合力，充分剥离后的石墨烯，能更好的发挥石墨烯的高强、导电、导热性能。通过这种方法可进一步提高石墨烯的分散性和产品的性能。
[0007]本发明的一种石墨烯分散液的制备方法，先将水性钛酸酯溶解在水中，然后加入石墨烯粉体，在磁场中进行超声分散，即得到石墨烯分散液。
[0008]作为优选的技术方案:
[0009]如上所述的一种石墨烯分散液的制备方法，所述石墨烯粉体在所述石墨烯分散液中的质量分数为0.5-8%，所述水性钛酸酯的质量小于等于石墨烯粉体质量的2%。水性钛酸醋过少，不能对石墨稀表面充分修饰，过多会造成材料性能的下降。
[0010]如上所述的一种石墨烯分散液的制备方法，所述的水性钛酸酯是双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯，或双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯和三乙醇胺的螯合物溶液(型号311W)，或双(二辛基焦磷酸酯)羟乙酸酯钛酸酯，或双(二辛基二乙醇)乙二胺钛酸酯，或二(辛烷基苯酚聚氧乙烯醚)磷酯。水性钛酸酯含有可水解的短链烷氧基能与石墨烯的双键发生化学反应从而使得钛酸酯能与石墨烯充分结合，起到表面修饰的作用。
[0011]如上所述的一种石墨烯分散液的制备方法，所述溶解的过程是通过机械搅拌的方式，转速为50-100转/分钟，搅拌时间为5-30分钟，温度为10-35°c。水性钛酸酯能与水互溶，我们通过低速搅拌加快钛酸酯溶解速度，大幅缩短溶解时间。
[0012]如上所述的一种石墨烯分散液的制备方法，所述石墨烯粉体的尺寸为，长和宽分别为1-200微米，厚度为6-10纳米；所述石墨烯分散液中石墨烯的尺寸为，长和宽分别为1-200微米，厚度1-6纳米。石墨稀的颗粒度越小，相对应的比表面积就越大，小颗粒度的石墨烯更有利于发挥石墨烯优秀的机械性能和其他物理性能，并且在使用时还能较少石墨烯的使用量。
[0013]如上所述的一种石墨烯分散液的制备方法，所述的磁场对应的磁场强度为0.5-5T。石墨烯材料具有特殊的结构形态，在磁场中，石墨烯分散液中的石墨烯会产生有序的定向排列。
[0014]如上所述的一种石墨烯分散液的制备方法，所述的超声分散的超声波频率为20-30KHZ，功率为1-5千瓦，超声分散时间为30-90分钟，温度控制为10_60°C。超声分散对石墨烯在分散液中的分散具有很好的效果，也能够充分的使得石墨烯表面被水性钛酸酯修饰，另外，石墨烯通过磁场作用在石墨烯分散液中定向排列从而达到一个平衡状态后，由于超声的高频率作用，从而使得这种平衡状态被打破，通过不断的力学作用，使得石墨烯片层之间的距离增大，从而达到剥离的作用。
[0015]上述方法所制得的一种石墨烯分散液，为石墨烯粉体、水和水性钛酸酯组成的均质乳液，所述石墨烯分散液经静置沉淀后水中无絮状团聚物。石墨烯的密度很小，在石墨烯被水性钛酸酯充分修饰后，能够很好的分散在水溶液中，通过水分子与水性钛酸酯的分子间作用力使得石墨烯能长时间稳定的均匀分散在石墨烯分散液中而不会产生沉降或团聚现象。
[0016]如上所述的一种石墨烯分散液，所述静置的时间为3-6个月。
[0017]有益效果:
[0018]本发明的一种石墨烯分散液的制备方法，构思独特，步骤简便，效果明显。
[0019]本发明的石墨烯分散液，石墨烯分散充分，剥离度好，石墨烯颗粒均匀，能均匀分散在分散液中，且分散液能长时间存放，3-6个月内不会出现沉降或团聚现象，在运用的时候石墨烯也不会产生团聚。通过在磁场中进行超声分散，石墨烯在分散液中能均匀分散，水性钛酸酯能对石墨烯表面充分修饰，多层石墨烯在分散过程中结合磁场的作用能充分剥离成少层或单层石墨烯。经钛酸酯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，大幅改善石墨烯在其他复合材料中的分散性，少层或单层石墨烯的分子结构更能有效的发挥石墨烯特殊的物理性能以及化学性能，从而达到改善复合材料性能的最终目的。
[0020]本发明解决了石墨烯材料在水及其他溶剂中分散性极差以及石墨烯层数大的技术问题，提高了石墨烯在各种复合材料中的分散性和相容性，大幅减小了石墨烯的使用量。通过解决这些技术问题，石墨烯的应用领域以及应用效果得到了极大的改善，更加有利于石墨烯使用广泛化、尖端化。因此，本发明具有极大的实际应用价值。
【具体实施方式】
[0021]下面结合【具体实施方式】，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0022]实施例1
[0023]本发明的一种石墨烯分散液的制备方法，先将水性钛酸酯双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯溶解在水中，溶解的过程是通过机械搅拌的方式，转速为50转/分钟，搅拌时间为5分钟，温度为10°C，然后加入长和宽分别为1-200微米，厚度为6-10纳米的石墨烯粉体，水性钛酸酯的质量为石墨烯粉体质量的2%，然后在磁场强度为0.5T的磁场中进行超声分散，超声波频率为20KHz，功率为I千瓦，超声分散时间为30分钟，温度控制为10°C，即得到石墨烯分散液，其为石墨烯粉体、水和水性钛酸酯组成的均质乳液，石墨烯分散液经静置3个月后溶液中无絮状团聚物，石墨烯粉体在石墨烯分散液中的质量分数为0.5%，石墨烯分散液中石墨烯的尺寸为，长和宽分别为1-200微米，厚度1-6纳米。
[0024]实施例2
[0025]本发明的一种石墨烯分散液的制备方法，先将水性钛酸酯双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯和三乙醇胺的螯合物(型号311W)