[发明专利]一种通过热塑化石墨材料制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及一种通过热塑化石墨材料制备石墨烯的方法。

背景技术

自从石墨烯被发现以后，由于其优异的性能和巨大的应用前景引发了物理和材料科学等领域的研究热潮。石墨烯是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能。高质量的石墨烯是指片层面积较大，通常横向尺寸大于5微米，晶体结构完整、缺陷量少。然而，得到高质量的石墨烯是较困难的，即便通过已有技术手段得到高质量石墨烯，而难以量产，成为阻碍石墨烯产业发展的关键。

目前已有石墨烯的制备技术包括机械剥离法、衬底附生法、化学气相沉积法、氧化还原法、化学解理法等。但现有的技术方法或者难以实现量产，或者存在质量缺陷，或者存在安全和环境污染等问题，进而导致石墨烯成本价格居高不下。

现在大多数石墨烯生产都采用化学法，其目的是得到高质量的石墨烯。中国发明专利申请号201110048734.3公开了一种基于化学沉积法制备石墨烯材料的方法，将石墨化催化剂的可溶性盐与聚合物以及有机溶剂均匀混合，并在惰性气氛保护下将反应器温度升至450～1000℃，在惰性气体保护下通入反应器进行化学沉积，制得石墨烯材料。而化学法低产量以及环境污染直接导致石墨烯高昂的成本，严重阻碍了石墨烯产业的发展。

相比之下，机械剥离更易获得低成本的石墨烯。机械剥离的方法从石墨片的表面进行逐层剥离得到石墨烯片，可制备出最接近理想状态的石墨烯，但尺寸小。如球磨是通过介质球碰撞产生的摩擦和剪切对石墨粉进行研磨。中国发明专利申请号201310411516.0公开了一种石墨烯材料的球磨制备方法，该发明将石墨碳与烷基六元芳环或稠环聚醚型非离子表面活性剂的质量体积比为1：2～1：15和去离子水混合装于球磨罐，固定于球磨机以200-500rpm的转速球磨5-30小时；再转入去离子水中，以3000-8000rpm的转速离心10-30min，得到黑色上层胶体悬浮液，制得不同浓度石墨烯水溶液。但是由于介质球对石墨层的冲击力极大，使石墨烯产生结构缺陷，降低剥离后石墨烯的尺寸，而且生产效率低，难以量产。

为了减少机械剥离对石墨烯晶体结构的破坏，中国发明专利申请号201310238984.2公开了一种对流气体剪切剥离二维层状材料的方法，该方法通过高压冷热气体循环对流产生的剪切力来剥离二维层状材料，通过反复循环的冷热气体剪切作用，可以生成单层及少数层的二维材料如石墨烯。该方法减少了生产工艺对二维层状无机材料晶体结构的破坏。但由于剪切力依靠对流气体产生，剪切力较弱，需要2小时左右的长时间反复循环碰撞，因此产量低，而且由于石墨长时间对流碰撞，得到的石墨烯横向尺寸小，难以获得大尺寸二维面积的石墨烯。

进一步，为减少机械研磨剥离对石墨烯结构的损伤，目前出现了借助超声波进行石墨的剥离或者分散液剥离，然而由于剪切力不足以克服石墨层间的范德华力，因而石墨烯的产率较低。如果在高剪切作用下不损伤石墨烯的晶体结构进行剥离，将极大地提高石墨烯的生产效率和质量。

发明内容

为了在高剪切剥离时不损伤石墨烯晶体结构，得到大尺寸二维面积的石墨烯，本发明提出一种通过热塑化石墨材料制备石墨烯的方法。该方法利用端羟基聚丁二烯的扩链削弱石墨层间的范德华力，并通过与极性高分子聚合物连接赋予石墨热塑性，通过螺杆挤出机的热塑挤压使石墨形成薄层，进一步碳化、剪切得到石墨烯，克服了机械剥离法制备石墨烯对石墨烯层晶体结构损伤的缺陷，实现了在高剪切条件下规模化生产高质量石墨烯。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种通过热塑化石墨材料制备石墨烯的方法，其特征在于将石墨处理为热塑性材料，在热塑条件下利用螺杆挤出机将石墨进行延展薄层化、碳化、剪切后得到石墨烯，具体方法如下：

1)将重量份85-90的石墨、重量份5-10份的端羟基聚丁二烯、重量份0.5-1.5份的扩链剂加入真空捏合机进行捏合，真空捏合机温度升至80-100℃,在50-80rpm低速搅拌条件下，捏合混炼20-45分钟，端羟基聚丁二烯借助端羟基插入石墨层间削弱范德华力，得到预混物；