[发明专利]一种烷基化功能石墨烯的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种烷基化功能石墨烯的制备方法及其应用，属于纳米新材料及应用领域。

背景技术

伴随着科技的日新月异的快速发展，传统的单一材料已经越来越不能满足工业领域的需求，社会的需求对材料的要求提出了更加苛刻的标准，因此，这也要求科研人员研制出性能更加优异或新性能的材料。尼龙66（PA66）作为工程塑料使用始于1956年[邓如生, 魏远方, 陈步宁. 聚酰胺树脂及其应用, 北京, 化学化工出版社, 2002:1]，它由于众多优点而被广泛应用于汽车、交通运输及电子电气等领域，但存在吸水性大、耐酸性差、耐候性不佳以及吸水后变形等缺点，从而限制了其应用领域。纳米复合材料由于纳米材料的加入能改变其微观界面从而提升材料的综合性能，因此，开发新型具备高性能纳米复合材料，拓宽材料的应用领域以满足未来发展的材料应用需求。

石墨烯是于2004年被发现的单原子层的碳原子经过sp2杂化形成的新型二维纳米材料[K. S. Novoselov, A. K. Geim, et al. Science, 2004, 306(5696): 666-669]，由于其独特的结构与性能，兴起了材料界的技术革命。石墨烯极其优异的综合性能赋予石墨烯作为纳米增强填料用于复合材料的无限潜力，近年来已有不少文献报道，要使石墨烯对树脂基体起到很好的增强效果，就要求石墨烯能够良好的分散于树脂基体中，与树脂基体有良好的界面结合，然而，因为石墨烯本身结构的特性，使其极易团聚，很难均匀分散于树脂基体中。Ruffo等[S. Stankovich, D.A. Dikin, G.H.B. Dommett, et al. Nature, 442 (2006) 282-286]率先制备了石墨烯-聚苯乙烯纳米复合导电材料，他们使用苯基异氰酸酯对氧化石墨烯进行功能化，然后将其均匀分散在聚苯乙烯溶液中，加入二甲肼进行还原，获得了具备导电性的纳米复合材料。随后，他们[S. Stankovich, R.D. Piner, X. Chen, et al. Journal of Materials Chemistry, 16 (2006) 155-158]利用聚对苯乙烯磺酸钠（PSS）对氧化石墨烯进行改性，借助它们之间的π—π键的相互作用，改善了石墨烯的团聚现象。随后，Brinson等[T. Ramanathan, A.A. Abdala, S. Stankovich, et al. Nature Nanotechnology 3(2008) 327-331]研究了石墨烯-聚丙烯腈以及石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料的性能，结果发现，在上述2个体系中加入1%和0.05%的石墨烯后，2个体系的玻璃化转变温度以及模量、拉伸强度和热分解温度都得到大幅提高。此外，还可以通过将原子转移自由基聚合(ATRP)引发剂键合到石墨烯上，随后的ATRP反应使聚苯乙烯链接枝到石墨烯，接枝的聚合物能显著提高石墨烯在有机溶剂里的溶解，而且引入石墨烯后的聚合物基体，机械性能得到了较大提升。

随着石墨烯/聚合物复合材料研究的不断深入，其应用范围以及带来的性能提升将被进一步开发，但是石墨烯在树脂基体中的分散性差，与聚合物之间的界面结合弱，始终未得到很好的解决，从而影响了石墨烯本身的各种优异性能不能得到最大的发挥。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功能石墨烯的制备方法及其应用，所述功能石墨烯具有烷基化可控，与聚合物树脂基体相容性好等优点，同时，所述的PA66基纳米复合材料具有优秀的机械性能、抗静电性、吸潮性以及热稳性能。该新型功能石墨烯的制备方法简单，可靠，成本低，而PA66基纳米复合材料能制备高浓度的复合材料母料。

本发明涉及的功能石墨烯其表面上以化学键合方式吸附脂肪族酮类化合物，吸附的烷基链长可控；其中获得的PA66基纳米复合材料，功能石墨烯含量浓度较高，分散均匀，可用作母料。

本发明提出的一种功能石墨烯的制备方法，具体步骤如下：

（1）通过改进Hummers方法获得氧化石墨烯，其单层氧化石墨烯含量占90%以上；

（2）将步骤（1）获得的氧化石墨烯按化学计量比分散于酮类小分子化合物与水混合溶液或酮类小分子化合物与乙醇混合溶液中，在40kHz功率300W下超声剥离处理1~8h，分离获得烷基化程度可控的功能石墨烯分散液；

（3）将步骤（2）获得的功能石墨烯分散液置于乙醇-水溶液中，洗涤并于10000转/分速度下离心，最后将沉淀物冷冻干燥，制备获得功能石墨烯。