[发明专利]一种石墨烯基全波段紫外屏蔽材料及其的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于防护功能材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯基紫外屏蔽复合材料及其制备方法。

背景技术

太阳光中的紫外线不仅会造成有机高分子材料易老化，导致产品性能下降，而且还会对人类健康产生极大危害，开发紫外线屏蔽材料已引起了人们的广泛关注。紫外线屏蔽材料可分为有机紫外屏蔽剂和无机紫外屏蔽剂两大类。有机紫外屏蔽剂主要屏蔽中波紫外线(简称UVB)，然而其缺点在于耐久性差，并且用于防晒化妆品时存在皮肤吸收和过敏等安全问题。无机紫外屏蔽材料现已成为其研究热点。无机紫外屏蔽剂主要有纳米TiO₂和纳米ZnO。纳米TiO₂屏蔽UVB的性能优异，但对长波紫外线(简称UVA)的屏蔽效果不理想；而纳米ZnO对UVA的屏蔽效果较好，但其屏蔽UVB性能欠佳。目前，市场上的紫外屏蔽材料成分较单一，这就造成其紫外线屏蔽范围较窄，不能全波段地阻隔紫外线。因此，如何提高紫外屏蔽剂的紫外屏蔽范围以达到全波段紫外阻隔的目的已成为紫外屏蔽材料的发展方向。

由于纳米TiO₂和纳米ZnO粒子小，比表面积大，表面能高，处于能量不稳定的状态，因而很容易聚集形成团聚体。纳米粒子间的团聚除了软团聚之外，还存在硬团聚。纳米粒子间的硬团聚体内除了颗粒之间的范德华力和库仑力外，还存在化学键作用。硬团聚的存在使纳米粒子的分散性变差，严重影响纳米粒子的紫外线屏蔽效果和应用范围。因此，解决纳米TiO₂和纳米ZnO团聚问题和使用过程中的分散性问题是开发高效无机紫外屏蔽剂要解决的瓶颈难题。

发明内容

针对背景技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种石墨烯基全波段紫外阻隔材料的制备方法。

上述石墨烯基全波段紫外阻隔材料的制备方法，包括如下步骤：

1、将氧化石墨加入到摩尔浓度为0.5～3.0摩尔/升的四氯化钛溶液中，室温下浸渍5～48小时后，一边搅拌一边加入葡萄糖，得到混合分散液；然后将所得的混合分散液转移至水热反应釜中，在温度为140～180℃条件下，水热反应24～60小时，过滤，洗涤，即制得石墨烯/TiO₂ 复合滤饼，

其中，葡萄糖与TiCl₄质量之比为0.5～1:1；石墨烯/TiO₂复合滤饼中，TiO₂与石墨烯质量之比为0.1～0.5:1；

2、将步骤1所制得的石墨烯/TiO₂复合滤饼重新均匀分散到摩尔浓度为1.0～4.0摩尔/升的可溶性锌盐溶液中，在温度为60～80℃条件下，一边搅拌一边向体系中滴加摩尔浓度为1.0～3.0摩尔/升的碱性溶液至体系pH值为6～8，保温熟化30～60分钟，过滤，得到复合滤饼。在氮气气氛，温度为400～500℃条件下，将所得滤饼煅烧1～3小时，即制得石墨烯/TiO₂/ZnO紫外屏蔽复合材料。

其中，可溶性锌盐为硫酸锌(ZnSO₄·7H₂O)、氯化锌(ZnCl₂)、硝酸锌(Zn(NO₃)₂·6H₂O)或醋酸锌(Zn(CH₃COO)₂)，加入量为：按ZnO与石墨烯质量比为0.3～1.0:1计算，

上述碱性溶液为碳酸铵溶液、碳酸氢铵溶液或氨水中的一种。

本发明的有益效果是：

1、本发明充分利用石墨烯二维结构、透明性好、强度高和柔韧性好等优点。以氧化石墨为原料，葡萄糖为结晶控制剂，利用其表面活性基团，钛离子首先被吸附至氧化石墨层间；然后在水热条件下，钛离子在氧化石墨层间发生原位水解反应生成纳米TiO₂粒子，可以增加氧化石墨结构的网层间距，不仅有利于进一步避免纳米粒子的团聚，保证了全波段紫外屏蔽功能，并且增加了可见光的透过率；

2、在负载纳米ZnO的过程中，本发明采用带有NH₄⁺的碱性溶液来调节体系pH值，这样的好处在于：一方面可以有效地沉淀锌盐；另一方面，反应生成的副产物氯化铵、硫酸铵等铵盐在高温条件下会发生分解，产生的气体可以对石墨烯进一步进行二次还原，从而提高石墨烯的性能；