[发明专利]一种改性石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子功能材料领域，更具体地，涉及一种改性石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种有碳原子组成的二维材料，由于它二维结构的特殊性，使其具有质量轻且比表面积大等优点。除此之外，由于它拥有优异的电学性能、热学性能和机械强度以及一些独特的性能，如量子霍尔想要和量子隧道效应，使它成为目前非常具有应用前景的纳米材料。但石墨烯表面没有任何官能团，片与片之间较强的相互作用导致其容易堆叠，多片石墨烯放在一起时易形成多层石墨烯结构。这种堆叠的石墨烯结构不仅稳定性差，而且降低了石墨烯的比表面积，限制其界面的高效利用，从而影响了它在储能、催化、复合材料、电子器件等领域应用时的性能。除此之外，由于石墨烯既不亲水也不亲油，加之其结构稳定和化学惰性都阻碍了它的应用。因此，单层石墨烯的不稳定性及分散问题成为制约石墨烯性能进一步提升和应用领域的瓶颈。

增加石墨烯的分散性主要可以通过共价键和非共价键包覆来实现。共价键包覆主要指在石墨烯表面以共价键的方式接枝大量官能团或长分子链，例如将长链烷基胺接枝在石墨烯表面，可以使石墨烯很好的分散在有机溶剂中(参考J.Am.Chem.Soc.,2006,128,7720–7721.)；将羧基和磺酸基接枝在石墨烯表面可使石墨烯较好的分散在水相中(参考Nature Nanotech.,2008,3,101–105；Nano Lett.,2008,8,1679–1682)。但由于共价键包覆一般会破坏石墨烯表面的规整度及sp³结构，从而影响了其包括导热，导电在内的多项物理性质。一般的非共价键官能团化主要是通过石墨烯体系中的p电子与化合物中的p电子通过p-p键作用或者范德华力作用来实现的。例如将聚(4-苯乙烯磺酸钠)包覆在石墨烯表面可以使石墨烯分散在水相中(参考J.Mater.Chem.,2006,16,155–158)。由于非共价键包覆既可以增加石墨烯的分散性，也可以最大程度的保持石墨烯表面的规整度，因此非共价键包覆的方式吸引了国内外大量科学家的关注。虽然非共价键包覆相比于共价键包覆有许多优势，但是目前非共价键包覆都存在着例如包覆率低，包覆步骤复杂，无法大量制备等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种改性石墨烯及其制备方法，其目的在于通过非共价键的作用，在石墨烯表面修饰高分子材料，使其具有良好的分散性和表面规整度，由此解决了共价键包覆影响石墨烯物理性质的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种改性石墨烯，所述改性石墨烯包括石墨烯和长链芳香族化合物，所述长链芳香族化合物通过非共价键相互作用修饰在石墨烯表面，包覆密度在0.7至2.5之间，所述长链芳香族化合物是末端为芳香基团的长链高分子，所述长链的相对分子质量在1166～5540，所述长链芳香族化合物的亲水亲油平衡值在0～18.4之间。

优选地，所述改性石墨烯，其长链芳香族化合物具有式(I)的结构：

其中，R₁为芳香基团，R₂为高分子长链基团。

优选地，所述改性石墨烯，其长链芳香族化合物中的R₁为

其中表示与咪唑环连接键。

优选地，所述改性石墨烯，其长链芳香族化合物中的R₂为长链烷基、长链卤代烷基或环氧化合物开环聚合形成的长链基团。

优选地，所述改性石墨烯，其所述非共价键相互作用是π-π共轭作用。

按照本发明的另一方面，提供了一种改性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

(1)将芳香族小分子化合物、咪唑类化合物和4-二甲氨基吡啶，加入到二氯甲烷中，使得芳香族小分子化合物与咪唑类化合物的摩尔比在1:2至2:1之间，且芳香族小分子化合物和4-二甲氨基吡啶的摩尔比在1000:1至5:1之间，混合均匀，制得混合溶液A；

(2)向混合溶液A中滴加二环己基碳二亚胺溶液中，在0-40℃及惰性气体保护下反应12-24小时，得到反应产物，分离提纯后得到化合物B；所述的二环己基碳二亚胺与混合溶液A中的芳香族小分子化合物的摩尔比为1:2～2:1；

(3)将化合物B与环氧类化合物或聚乙二醇单甲醚衍生物在40-100℃反应12-24小时，得到高分子C；化合物B与环氧类化合物的摩尔比为1:10～1:40；步骤(2)反应提纯后的物质与聚乙二醇单甲醚衍生物的摩尔比为1:1～1:3；